JP3709653B2 - 筒内直接噴射式火花点火エンジン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、吸気を加熱して燃焼性を改善する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
点火栓の近傍に燃料を集める混合気の成層化をはかるため、シリンダ内にインジェクタ（燃料噴射弁）を臨ませ、シリンダ内に燃料を直接噴射するようにした筒内直接噴射式火花点火エンジンがある。
【０００３】
従来の筒内直接噴射式火花点火エンジンとして、例えば図９に示すようなものがある（特開平６−８１６５１号公報、参照）。
【０００４】
これについて説明すると、インジェクタ６は燃焼室天井壁２０の側部からシリンダ１４内に臨み、ピストン１の冠部３０に窪むキャビティ１１に向けて燃料を噴射するようになっている。
【０００５】
吸気ポート２１がシリンダ１４に沿って直立して形成されている。直立した吸気ポート２１からシリンダ１４内に流入した吸気は、図中矢印で示すように、シリンダ１４に沿って下降した後、ピストン冠部３０に沿って旋回する逆タンブルＲが生起される。キャビティ１１上において逆タンブルＲと共に旋回する燃料噴霧は、キャビティ１１に沿って点火栓４に向けて上昇する。これにより、濃混合気が点火栓４の近傍に集められる、混合気の成層化がはかれる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、混合気の成層化がはかれると、シリンダ１４に分布する混合気の等量比は、図１０に示すように、点火栓から離れるのにしたがって次第に低くなるため、シリンダ１４のボアの近傍に混合比が火炎伝播限界混合比より低くなる消炎領域が存在する。この消炎領域で未燃焼ＨＣが生じ、エミッションの悪化や燃費の増大を招く等の問題点があった。
【０００７】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、成層燃焼性を高めることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、シリンダ内に吸気を導入する吸気通路と、シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタと、シリンダ内の混合気に点火する点火栓と、シリンダ内から排気を排出する排気通路とを備え、インジェクタの燃料噴射時期を吸気行程とする均質燃焼領域と、インジェクタの燃料噴射時期を圧縮行程とする成層燃焼領域とを設定した筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、前記吸気を加熱する吸気加熱手段を備え、吸気加熱手段を介して成層燃焼領域にて均質燃焼領域より吸気温度を高めることにより、火炎伝播限界混合比を低くしてシリンダ内における消炎領域を縮小する構成とした。
【０００９】
請求項２に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１に記載の発明において、前記成層燃焼領域にてエンジン負荷またはエンジン回転数が上昇するのに伴って吸気温度を次第に低める構成とした。
【００１０】
請求項３に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１または２に記載の発明において、前記吸気加熱手段として排気通路からの伝熱により吸気を加熱する排熱回収ダクトと、排熱回収ダクトを流れる吸気量を調節する切換えバルブとを備えるものとした。
【００１１】
請求項４に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項３に記載の発明において、前記成層燃焼領域にて切換えバルブが排熱回収ダクトを開通させ、均質燃焼領域にて切換えバルブが排熱回収ダクトを閉塞する構成とした。
【００１２】
請求項５に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項３に記載の発明において、前記成層燃焼領域にてエンジン負荷またはエンジン回転数が上昇するのに伴って切換えバルブが排熱回収ダクトを開通させる開度を次第に小さくする構成とした。
【００１３】
【発明の作用および効果】
請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、成層燃焼領域では、吸気ポートを通ってシリンダ内に吸入された空気がピストンで圧縮された状態で、燃料がインジェクタから燃焼室に噴射され、濃混合気が点火栓の近傍に集められる。
【００１４】
しかし、シリンダ内において混合気の成層化がはかられると、シリンダに分布する混合比が点火栓から離れるのにしたがって次第に低くなるため、シリンダのボアの近傍に混合比が火炎伝播限界混合比より低くなる消炎領域が存在する。
【００１５】
本発明はこれに対処して、成層燃焼領域では吸気加熱手段を介して均質燃焼領域より吸気温度を高めることにより、火炎伝播限界混合比を低くし、シリンダ内における消炎領域を縮小する。この結果、消炎領域で生じる未燃焼ＨＣ量を減らし、エミッションを改善するとともに、燃費の低減がはかれる。
【００１６】
一方、均質燃焼領域ではピストンが下降する吸気行程で燃料がインジェクタから噴射されることにより、ピストンが上昇して点火時期を迎えるまでにシリンダ内に均質な混合気が形成される。
【００１７】
均質燃焼領域では成層燃焼領域より吸気温度を低くすることにより、吸気充填効率を高め、高出力化がはかられる。均質燃焼領域ではシリンダ内に均質な混合気が形成されるため、吸気温度を低くしても、着火が確実に行われるとともに、火炎の伝播が促され、燃焼性が確保される。この結果、エミッションの悪化や燃費の増大を抑えられる。
【００１８】
請求項２に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、成層燃焼領域でもエンジン負荷またはエンジン回転数が上昇するのに伴って吸気温度を次第に低くすることにより、消炎領域を縮小することと吸気充填効率を高めることを両立して、エミッションを改善するとともに低燃費化および高出力化がはかれる。
【００１９】
請求項３に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、吸気を排熱回収ダクトを通してシリンダに導き、排気通路からの伝熱により吸気を加熱することにより、吸気温度を高められる。
【００２０】
請求項４に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、成層燃焼領域では吸気を排熱回収ダクトを通してシリンダに導き、排気通路からの伝熱により吸気を加熱する。こうして吸気温度を高めることにより、火炎伝播限界混合比を低くし、シリンダ内における消炎領域を縮小する。この結果、消炎領域で生じる未燃焼ＨＣ量を減らし、エミッションを改善するとともに、燃費の低減がはかれる。
【００２１】
均質燃焼領域では吸気を切換えバルブを介して排熱回収ダクトを通さずにシリンダに導き、吸気の加熱を行わない。こうして吸気温度を低くすることにより、吸気充填効率を高め、高出力化がはかられる。
【００２２】
請求項５に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、成層燃焼領域にてエンジン負荷が上昇するのに伴って切換えバルブが排熱回収ダクトを開通させる開度を次第に小さくすることにより、エンジン負荷またはエンジン回転数が上昇するのに伴って吸気温度を次第に低くなり、消炎領域を縮小することと吸気充填効率を高めることを両立して、エミッションを改善するとともに低燃費化および高出力化がはかれる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１に示すように、エンジン３０の運転を制御するコントロールユニット４９が設けられる。コントロールユニット４９は冷却水温度センサ２５によって検出される冷却水温度ＴＷ、エンジン負荷およびエンジン回転数Ｎ等を入力し、後述するように燃料噴射、スワール、吸気加熱等の制御を行う。
【００２５】
図２に示すように、シリンダヘッドに形成された燃焼室天井壁２０とピストン１の間に燃焼室３が画成される。ピストン１のシリンダ１４における往復運動はコンロッド（図示せず）を介してクランクシャフト（図示せず）の連続回転運動に変換される。
【００２６】
ペントルーフ型に傾斜する燃焼室天井壁２０には２本に分岐する吸気ポート２１と２本の排気ポート（図示せず）が互いに対向して開口し、点火栓４が各吸気バルブ７と各排気バルブの間に位置して燃焼室３に臨んでいる。２つの吸気バルブ７と２つの排気バルブ（図示せず）は、点火栓４を挟むようにして互いに対向して設けられる。
【００２７】
燃焼室天井壁２０にはその側部から燃焼室３に臨むインジェクタ（燃料噴射弁）６が設けられる。インジェクタ６は各吸気バルブ７の側方で、かつ各吸気バルブ７の間に位置して燃焼室３に臨んでいる。
【００２８】
インジェクタ６が開弁するのに伴ってシリンダ１４内に噴射される燃料は、各吸気バルブ７が開かれるのに伴って吸気ポート２１から吸入される空気と混合する。シリンダ１４内に形成された混合気はピストン１で圧縮された状態で点火栓４を介して燃料が着火燃焼する。燃焼したガスはピストン１を下降させてクランクシャフトを介して回転力を取り出した後、ピストン１が上昇する排気行程中に排気バルブが開かれるのに伴って各排気ポートから排出される。これらの各行程が連続して繰り返される。
【００２９】
ピストン１の冠部には、その中央部にルーフ状に隆起する凸部１０が形成されるとともに、皿状に窪むキャビティ１１が形成される。
【００３０】
ここで、シリンダ中心面Ｃをシリンダ１４の中心線を含み図示しないクランクシャフトの回転中心軸と直交する平面と定義する。キャビティ１１をはじめピストン１と燃焼室天井壁２０と各吸気ポート２１および各排気ポートは、シリンダ中心面Ｃについて対称的に形成される。これにより、各吸気ポート２１に均等に分流してシリンダ１４内に流入する吸気流は、シリンダ１４の中心線と直交する軸を中心に旋回するタンブルを生起する。
【００３１】
キャビティ１１はシリンダ１４の中心線についてインジェクタ６側に偏心した円形の断面を持ち、インジェクタ６に近接するように配置される。
【００３２】
点火栓４は、キャビティ１１に対してインジェクタ６から最も離れた位置に対向するようにシリンダ中心面Ｃ上に配置される。
【００３３】
ピストン１の冠部は凸部１０によって燃焼室天井壁２０に沿って傾斜する。これにより、ピストン１が上死点に到達するとき、ピストン１と燃焼室天井壁２０の間に画成される燃焼室３の容積をキャビティ１１に集中させて、高い圧縮比が得られる。
【００３４】
キャビティ１１は凸部１０の稜線の中央部を削除するようにして窪んでいる。これにより、点火栓４の近傍に位置するキャビティ１１の側壁の高さが確保され、図３に示すように、濃混合気を点火栓４の近傍に有効に集められる。
【００３５】
インジェクタ６の燃料噴射方向は各吸気ポート２１を流れる吸気の流れ方向と略同一方向に設定される。すなわち、インジェクタ６の燃料噴射方向はキャビティ１１に対向し、点火栓４に対向しないように下向きに配置される。これにより、インジェクタ６から噴射される燃料噴霧はシリンダ中心面Ｃを挟んで円錐状に拡がり、その大部分がキャビティ１１内に納まるようになっている。
【００３６】
インジェクタ６はその開弁時期（燃料噴射時期）と開弁期間（燃料噴射量）がコントロールユニット４９により運転状態に応じて制御される。
【００３７】
コントロールユニット４９は、図示しない各センサによって検出された吸入空気量Ｑａとエンジン回転数Ｎとに基づいて基本噴射量Ｔｐを次式で算出する。
【００３８】
Ｔｐ＝Ｋ・Ｑａ／Ｎ ‥‥（１）
ただし、Ｋ；定数
そして、所定の均質燃焼領域で空燃比が理論空燃比を中心とした狭い範囲に収める一方、所定の成層燃焼領域で希薄混合気による成層燃焼を実現するための空燃比となるように最終的な燃料噴射量Ｔｉを次式で算出して燃料噴射量をフィードバック制御する。
【００３９】
Ｔｉ＝Ｔｐ×α×ＣＯＥＦ＋Ｔｓ …（２）
ただし、αは空燃比フィードバック補正係数、ＣＯＥＦは冷却水温度補正係数、および成層燃焼のための補正係数等をパラメータとした各種補正係数の和、Ｔｓは無効噴射パルス幅である。
【００４０】
コントロールユニット４９は、演算された燃料噴射量Ｔｉに対応するパルス信号をインジェクタ６の駆動回路（図示せず）に出力し、インジェクタ６の燃料噴射制御を行う。
【００４１】
コントロールユニット４９は、図４に示すマップに基づいてエンジン３０の負荷が所定値以下の成層燃焼領域で、シリンダ１４内の混合気の空燃比を理論空燃比より希薄側に制御する。エンジン３０の負荷が所定値を超えて上昇する均質燃焼領域で、シリンダ１４に供給される混合気の空燃比を理論空燃比またはリッチ側に制御する。
【００４２】
インジェクタ６の開弁時期である燃料噴射時期は、成層燃焼領域でピストン１が上昇する圧縮行程の後半に設定され、均質燃焼領域でピストン１が下降する吸気行程に設定されている。
【００４３】
シリンダ１４内に生起される吸気旋回流の勢力を調節するため、バタフライ式の吸気コントロールバルブ（図示せず）が各吸気ポート２１の分岐点より上流側に介装され、一方の吸気ポート２１からシリンダ１４内に導入される吸気量を調節するようになっている。
【００４４】
成層燃焼領域では、吸気コントロールバルブが閉弁することにより、一方の吸気ポート２１を通ってシリンダ１４に吸入される吸気流を絞り、他方の吸気ポート２１からシリンダ１４に流入する吸気量の割合を増やし、シリンダ１４内にスワール生起するようになっている。
【００４５】
均質燃焼領域では、吸気コントロールバルブが開弁することにより、各吸気ポート２１に吸気を均等に分流させ、シリンダ１４内にタンブルを生起するようになっている。
【００４６】
図１に示すように、排気通路４１は、各排気ポートに接続して各気筒から排気を取り出すエキゾーストマニホールド４２と、エキゾーストマニホールド４２に接続して排気中のＨＣ，ＣＯの酸化と、ＮＯｘの還元が行われる排気触媒コンバータ４３と、排気触媒コンバータ４３に接続する排気管４４等を備える。
【００４７】
吸気通路３１は、前述したようにシリンダ１４に接続する各吸気ポート２１と、各吸気ポート２１に接続して各気筒に吸気を分配するインテークマニホールド３２と、インテークマニホールド３２のコレクタ部３３に接続するむ冷気導入ダクト３４等を備え、図示しないエアクリーナから取り込まれた吸気をシリンダ１４に導くようになっている。
【００４８】
吸気加熱手段として、図１に示すように、冷気導入ダクト３４から分岐する排熱回収ダクト３５が配設される。
【００４９】
排熱回収ダクト３５は排気管４４と触媒コンバータ４３およびエキゾーストマニホールド４２のまわりを覆う筒状に形成される。排熱回収ダクト３５の開口端である入口３６から図示しないエアクリーナを介して取り入れた吸気は、排気管４４と触媒コンバータ４３およびエキゾーストマニホールド４２のまわりを通ってインテークマニホールド３２へと導かれる。吸気はこうして排熱回収ダクト３５内を流れる過程で、排気管４４と触媒コンバータ４３およびエキゾーストマニホールド４２からの伝熱により排気の熱を吸収するようになっている。
【００５０】
冷気導入ダクト３４と排熱回収ダクト３５の分岐部には両者の開口割合を調節する切換えバルブ４５が設けられる。切換えバルブ４５はシャフト４６によって回動可能に支持される。シャフト４６は冷気導入ダクト３４と排熱回収ダクト３５の分岐部に配置される。切換えバルブ４５は冷気導入ダクト３４を開通させ排熱回収ダクト３５を閉塞する閉位置と、冷気導入ダクト３４を閉塞し排熱回収ダクト３５を開通させる開位置と、冷気導入ダクト３４と排熱回収ダクト３５の両方を開通させる半開位置とを有する。
【００５１】
シャフト４６を回動させて切換えバルブ４５を開閉駆動するアクチュエータ４８が設けられる。アクチュエータ４８の作動を制御するコントロールユニット４９は、図４に示すように、成層燃焼領域に切換えバルブ４５を開位置に駆動して吸気の加熱を行う一方、均質燃焼領域に切換えバルブ４５を閉位置に駆動して吸気の加熱を停止する。
【００５２】
図５のフローチャートはコントロールユニット４９において実行される切換えバルブ４５を開閉する制御プログラムを示しており、これは一定周期毎に実行される。
【００５３】
これについて説明すると、まずステップ１にてエンジン冷却水温度ＴＷが規定値より高い暖機後かどうかを判定する。
【００５４】
暖機後はステップ３に進んでエンジン負荷およびエンジン回転数Ｎがそれぞれ規定値以下となる成層燃焼領域かどうかを判定する。
【００５５】
暖機後かつ成層燃焼領域と判定された場合、ステップ３に進んで、シリンダ１４内の混合気の空燃比を理論空燃比より希薄側に制御するとともに、切換えバルブ４５を開位置に駆動して吸気の加熱を行う。
【００５６】
一方、エンジン冷却水温度ＴＷが規定値以下の暖機時かもしくは均質燃焼領域と判定された場合、ステップ４に進んで、シリンダ１４内の混合気の空燃比を理論空燃比を中心とした狭い範囲に収めるとともに、切換えバルブ４５を閉位置に駆動して吸気の加熱を停止する。
【００５７】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００５８】
各吸気バルブ７が開かれるのに伴って各吸気ポート２１からシリンダ１４内に空気が吸入される。均質燃焼領域ではピストン１が下降する吸入行程でインジェクタ６が開弁し、成層燃焼領域ではピストン１が上昇する圧縮行程の後半にインジェクタ６が開弁し、インジェクタ６から燃料噴霧が燃焼室３に噴射される。
【００５９】
各吸気ポート２１を通ってシリンダ１４内に吸入された空気がピストン１で圧縮された状態で、点火栓４を介して燃料を着火燃焼させる。燃焼したガスはピストン１を下降させてクランクシャフトを介して回転力を取り出した後、ピストン１が上昇する排気行程中に排気バルブ８が開かれるのに伴って各排気ポートから排出される。これらの各行程が連続して繰り返される。
【００６０】
エンジン３０の負荷が所定値以下の成層燃焼領域で、図１に示すように、ピストン１が上昇する圧縮行程の後半にインジェクタ６から燃料が噴射される。インジェクタ６から噴射された燃料噴霧は、その大部分がキャビティ１１内に向かい、スワールによってキャビティ１１内で旋回する。キャビティ１１内に集められた燃料噴霧は、ピストン１によって加熱され、その微粒化および気化が進み、高濃度の混合気がキャビティ１１内に溜まる。図３に示すように、ピストン１が上死点に近づくのにしたがって、キャビティ１１内の高濃度の混合気に点火栓４が近づき、混合気の成層化がはかれ、着火が確実に行われる。
【００６１】
しかし、こうして混合気の成層化がはかられると、シリンダ１４に分布する混合気の等量比は、図１０に示すように、点火栓から離れるにしたがって次第に低くなるため、シリンダ１４のボアの近傍に混合比が火炎伝播限界混合比より低くなる消炎領域が存在する。
【００６２】
本発明はこれに対処して、成層燃焼領域では吸気の全量を排熱回収ダクトを通して吸気温度を高めることにより、火炎伝播限界混合比を低くし、シリンダ１４内における消炎領域を縮小する。この結果、消炎領域で生じる未燃焼ＨＣ量を減らし、エミッションを改善するとともに、燃費の低減がはかれる。
【００６３】
一方、エンジン３０の負荷が所定値を超えて上昇する均質燃焼領域で、吸気コントロールバルブが全開し、各吸気ポート２１を通ってシリンダ１４内に流入する吸気流が互いに衝突し、シリンダ１４内に生起されるスワールの勢力は弱まる。しかし、シリンダ１４に供給される混合気の空燃比が理論空燃比またはリッチ側に調節され、ピストン１が下降する吸入行程でインジェクタ６から燃料が噴射されることにより、ピストン１が上昇して点火時期を迎えるまでに燃焼室３に均質な混合気が形成される。
【００６４】
均質燃焼領域では吸気を切換えバルブ４５を介して排熱回収ダクト３５を通さずにシリンダ１４に導き、吸気の加熱を行わない。こうして均質燃焼領域では成層燃焼領域より吸気温度を低くすることにより、吸気充填効率を高め、高出力化がはかられる。均質燃焼領域ではシリンダ１４内に均質な混合気が形成されるため、吸気温度を低くしても、着火が確実に行われるとともに、火炎の伝播が促され、燃焼性が確保される。この結果、エミッションの悪化や燃費の増大を抑えられる。
【００６５】
他の実施形態として、コントロールユニット４９は、図７に示すように、成層燃焼領域に切換えバルブ４５が排熱回収ダクト３５を開通させる開度をエンジン負荷またはエンジン回転数Ｎが上昇するのに伴って次第に小さくしてもよい。
【００６６】
図５のフローチャートはコントロールユニット４９において実行される切換えバルブ４５を開閉する制御プログラムを示しており、これは一定周期毎に実行される。
【００６７】
これについて説明すると、まずステップ１にてエンジン冷却水温度ＴＷが規定値より高い暖機後かどうかを判定する。
【００６８】
暖機後はステップ３に進んでエンジン負荷およびエンジン回転数Ｎがそれぞれ規定値以下となる成層燃焼領域かどうかを判定する。
【００６９】
暖機後かつ成層燃焼領域と判定された場合、ステップ３に進んで、シリンダ１４内の混合気の空燃比を理論空燃比より希薄側に制御する。
【００７０】
続いてステップ５に進んで、切換えバルブ４５が排熱回収ダクト３５を開通させる開度をエンジン負荷またはエンジン回転数Ｎが上昇するのに伴って次第に小さくして、吸気温度を次第に低める構成とする。
【００７１】
この場合、成層燃焼領域にて吸気コントロールバルブの開度をエンジン負荷またはエンジン回転数Ｎが上昇するのに伴って次第に小さくすることにより、吸気温度を次第に低くする。
【００７２】
すなわち、成層燃焼領域の低速低負荷時では吸気の全量を排熱回収ダクトを通して吸気温度を高めることにより、火炎伝播限界混合比を低くし、シリンダ１４内における消炎領域を縮小する。この結果、消炎領域で生じる未燃焼ＨＣ量を減らし、エミッションを改善するとともに、燃費の低減がはかれる。
【００７３】
成層燃焼領域でもエンジン負荷またはエンジン回転数Ｎが上昇するのに伴って吸気温度を次第に低くすることにより、消炎領域を縮小することと吸気充填効率を高めることを両立して、エミッションを改善するとともに低燃費化および高出力化がはかれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示すエンジンの概略正面図。
【図２】同じく燃料噴射終了時期におけるエンジンの概略断面図。
【図３】同じく点火時期におけるエンジンの概略断面図。
【図４】同じく制御内容を示すタイミングチャート。
【図５】同じく制御内容を示すフローチャート。
【図６】同じく等量比と点火栓からの距離の関係を示す特性図。
【図７】他の実施形態における制御内容を示すタイミングチャート。
【図８】同じく制御内容を示すフローチャート。
【図９】従来例を示すエンジンの概略断面図。
【図１０】同じく等量比と点火栓からの距離の関係を示す特性図。
【符号の説明】
１ ピストン
３ 燃焼室
４ 点火栓
６ インジェクタ
７ 吸気バルブ
１０ ピストン冠部
１１ キャビティ
１４ シリンダ
２１ 吸気ポート
３０ エンジン
３１ 吸気通路
３４ 冷気導入ダクト
３５ 排熱回収ダクト
４１ 排気通路
４５ 切換えバルブ
４９ コントロールユニット
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、吸気を加熱して燃焼性を改善する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
点火栓の近傍に燃料を集める混合気の成層化をはかるため、シリンダ内にインジェクタ（燃料噴射弁）を臨ませ、シリンダ内に燃料を直接噴射するようにした筒内直接噴射式火花点火エンジンがある。
【０００３】
従来の筒内直接噴射式火花点火エンジンとして、例えば図９に示すようなものがある（特開平６−８１６５１号公報、参照）。
【０００４】
これについて説明すると、インジェクタ６は燃焼室天井壁２０の側部からシリンダ１４内に臨み、ピストン１の冠部３０に窪むキャビティ１１に向けて燃料を噴射するようになっている。
【０００５】
吸気ポート２１がシリンダ１４に沿って直立して形成されている。直立した吸気ポート２１からシリンダ１４内に流入した吸気は、図中矢印で示すように、シリンダ１４に沿って下降した後、ピストン冠部３０に沿って旋回する逆タンブルＲが生起される。キャビティ１１上において逆タンブルＲと共に旋回する燃料噴霧は、キャビティ１１に沿って点火栓４に向けて上昇する。これにより、濃混合気が点火栓４の近傍に集められる、混合気の成層化がはかれる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、混合気の成層化がはかれると、シリンダ１４に分布する混合気の等量比は、図１０に示すように、点火栓から離れるのにしたがって次第に低くなるため、シリンダ１４のボアの近傍に混合比が火炎伝播限界混合比より低くなる消炎領域が存在する。この消炎領域で未燃焼ＨＣが生じ、エミッションの悪化や燃費の増大を招く等の問題点があった。
【０００７】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、成層燃焼性を高めることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、シリンダ内に吸気を導入する吸気通路と、シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタと、シリンダ内の混合気に点火する点火栓と、シリンダ内から排気を排出する排気通路とを備え、インジェクタの燃料噴射時期を吸気行程とする均質燃焼領域と、インジェクタの燃料噴射時期を圧縮行程とする成層燃焼領域とを設定した筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、前記吸気を加熱する吸気加熱手段を備え、吸気加熱手段を介して成層燃焼領域にて均質燃焼領域より吸気温度を高めることにより、火炎伝播限界混合比を低くしてシリンダ内における消炎領域を縮小する構成とした。
【０００９】
請求項２に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１に記載の発明において、前記成層燃焼領域にてエンジン負荷またはエンジン回転数が上昇するのに伴って吸気温度を次第に低める構成とした。
【００１０】
請求項３に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１または２に記載の発明において、前記吸気加熱手段として排気通路からの伝熱により吸気を加熱する排熱回収ダクトと、排熱回収ダクトを流れる吸気量を調節する切換えバルブとを備えるものとした。
【００１１】
請求項４に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項３に記載の発明において、前記成層燃焼領域にて切換えバルブが排熱回収ダクトを開通させ、均質燃焼領域にて切換えバルブが排熱回収ダクトを閉塞する構成とした。
【００１２】
請求項５に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項３に記載の発明において、前記成層燃焼領域にてエンジン負荷またはエンジン回転数が上昇するのに伴って切換えバルブが排熱回収ダクトを開通させる開度を次第に小さくする構成とした。
【００１３】
【発明の作用および効果】
請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、成層燃焼領域では、吸気ポートを通ってシリンダ内に吸入された空気がピストンで圧縮された状態で、燃料がインジェクタから燃焼室に噴射され、濃混合気が点火栓の近傍に集められる。
【００１４】
しかし、シリンダ内において混合気の成層化がはかられると、シリンダに分布する混合比が点火栓から離れるのにしたがって次第に低くなるため、シリンダのボアの近傍に混合比が火炎伝播限界混合比より低くなる消炎領域が存在する。
【００１５】
本発明はこれに対処して、成層燃焼領域では吸気加熱手段を介して均質燃焼領域より吸気温度を高めることにより、火炎伝播限界混合比を低くし、シリンダ内における消炎領域を縮小する。この結果、消炎領域で生じる未燃焼ＨＣ量を減らし、エミッションを改善するとともに、燃費の低減がはかれる。
【００１６】
一方、均質燃焼領域ではピストンが下降する吸気行程で燃料がインジェクタから噴射されることにより、ピストンが上昇して点火時期を迎えるまでにシリンダ内に均質な混合気が形成される。
【００１７】
均質燃焼領域では成層燃焼領域より吸気温度を低くすることにより、吸気充填効率を高め、高出力化がはかられる。均質燃焼領域ではシリンダ内に均質な混合気が形成されるため、吸気温度を低くしても、着火が確実に行われるとともに、火炎の伝播が促され、燃焼性が確保される。この結果、エミッションの悪化や燃費の増大を抑えられる。
【００１８】
請求項２に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、成層燃焼領域でもエンジン負荷またはエンジン回転数が上昇するのに伴って吸気温度を次第に低くすることにより、消炎領域を縮小することと吸気充填効率を高めることを両立して、エミッションを改善するとともに低燃費化および高出力化がはかれる。
【００１９】
請求項３に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、吸気を排熱回収ダクトを通してシリンダに導き、排気通路からの伝熱により吸気を加熱することにより、吸気温度を高められる。
【００２０】
請求項４に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、成層燃焼領域では吸気を排熱回収ダクトを通してシリンダに導き、排気通路からの伝熱により吸気を加熱する。こうして吸気温度を高めることにより、火炎伝播限界混合比を低くし、シリンダ内における消炎領域を縮小する。この結果、消炎領域で生じる未燃焼ＨＣ量を減らし、エミッションを改善するとともに、燃費の低減がはかれる。
【００２１】
均質燃焼領域では吸気を切換えバルブを介して排熱回収ダクトを通さずにシリンダに導き、吸気の加熱を行わない。こうして吸気温度を低くすることにより、吸気充填効率を高め、高出力化がはかられる。
【００２２】
請求項５に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、成層燃焼領域にてエンジン負荷が上昇するのに伴って切換えバルブが排熱回収ダクトを開通させる開度を次第に小さくすることにより、エンジン負荷またはエンジン回転数が上昇するのに伴って吸気温度を次第に低くなり、消炎領域を縮小することと吸気充填効率を高めることを両立して、エミッションを改善するとともに低燃費化および高出力化がはかれる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１に示すように、エンジン３０の運転を制御するコントロールユニット４９が設けられる。コントロールユニット４９は冷却水温度センサ２５によって検出される冷却水温度ＴＷ、エンジン負荷およびエンジン回転数Ｎ等を入力し、後述するように燃料噴射、スワール、吸気加熱等の制御を行う。
【００２５】
図２に示すように、シリンダヘッドに形成された燃焼室天井壁２０とピストン１の間に燃焼室３が画成される。ピストン１のシリンダ１４における往復運動はコンロッド（図示せず）を介してクランクシャフト（図示せず）の連続回転運動に変換される。
【００２６】
ペントルーフ型に傾斜する燃焼室天井壁２０には２本に分岐する吸気ポート２１と２本の排気ポート（図示せず）が互いに対向して開口し、点火栓４が各吸気バルブ７と各排気バルブの間に位置して燃焼室３に臨んでいる。２つの吸気バルブ７と２つの排気バルブ（図示せず）は、点火栓４を挟むようにして互いに対向して設けられる。
【００２７】
燃焼室天井壁２０にはその側部から燃焼室３に臨むインジェクタ（燃料噴射弁）６が設けられる。インジェクタ６は各吸気バルブ７の側方で、かつ各吸気バルブ７の間に位置して燃焼室３に臨んでいる。
【００２８】
インジェクタ６が開弁するのに伴ってシリンダ１４内に噴射される燃料は、各吸気バルブ７が開かれるのに伴って吸気ポート２１から吸入される空気と混合する。シリンダ１４内に形成された混合気はピストン１で圧縮された状態で点火栓４を介して燃料が着火燃焼する。燃焼したガスはピストン１を下降させてクランクシャフトを介して回転力を取り出した後、ピストン１が上昇する排気行程中に排気バルブが開かれるのに伴って各排気ポートから排出される。これらの各行程が連続して繰り返される。
【００２９】
ピストン１の冠部には、その中央部にルーフ状に隆起する凸部１０が形成されるとともに、皿状に窪むキャビティ１１が形成される。
【００３０】
ここで、シリンダ中心面Ｃをシリンダ１４の中心線を含み図示しないクランクシャフトの回転中心軸と直交する平面と定義する。キャビティ１１をはじめピストン１と燃焼室天井壁２０と各吸気ポート２１および各排気ポートは、シリンダ中心面Ｃについて対称的に形成される。これにより、各吸気ポート２１に均等に分流してシリンダ１４内に流入する吸気流は、シリンダ１４の中心線と直交する軸を中心に旋回するタンブルを生起する。
【００３１】
キャビティ１１はシリンダ１４の中心線についてインジェクタ６側に偏心した円形の断面を持ち、インジェクタ６に近接するように配置される。
【００３２】
点火栓４は、キャビティ１１に対してインジェクタ６から最も離れた位置に対向するようにシリンダ中心面Ｃ上に配置される。
【００３３】
ピストン１の冠部は凸部１０によって燃焼室天井壁２０に沿って傾斜する。これにより、ピストン１が上死点に到達するとき、ピストン１と燃焼室天井壁２０の間に画成される燃焼室３の容積をキャビティ１１に集中させて、高い圧縮比が得られる。
【００３４】
キャビティ１１は凸部１０の稜線の中央部を削除するようにして窪んでいる。これにより、点火栓４の近傍に位置するキャビティ１１の側壁の高さが確保され、図３に示すように、濃混合気を点火栓４の近傍に有効に集められる。
【００３５】
インジェクタ６の燃料噴射方向は各吸気ポート２１を流れる吸気の流れ方向と略同一方向に設定される。すなわち、インジェクタ６の燃料噴射方向はキャビティ１１に対向し、点火栓４に対向しないように下向きに配置される。これにより、インジェクタ６から噴射される燃料噴霧はシリンダ中心面Ｃを挟んで円錐状に拡がり、その大部分がキャビティ１１内に納まるようになっている。
【００３６】
インジェクタ６はその開弁時期（燃料噴射時期）と開弁期間（燃料噴射量）がコントロールユニット４９により運転状態に応じて制御される。
【００３７】
コントロールユニット４９は、図示しない各センサによって検出された吸入空気量Ｑａとエンジン回転数Ｎとに基づいて基本噴射量Ｔｐを次式で算出する。
【００３８】
Ｔｐ＝Ｋ・Ｑａ／Ｎ ‥‥（１）
ただし、Ｋ；定数
そして、所定の均質燃焼領域で空燃比が理論空燃比を中心とした狭い範囲に収める一方、所定の成層燃焼領域で希薄混合気による成層燃焼を実現するための空燃比となるように最終的な燃料噴射量Ｔｉを次式で算出して燃料噴射量をフィードバック制御する。
【００３９】
Ｔｉ＝Ｔｐ×α×ＣＯＥＦ＋Ｔｓ …（２）
ただし、αは空燃比フィードバック補正係数、ＣＯＥＦは冷却水温度補正係数、および成層燃焼のための補正係数等をパラメータとした各種補正係数の和、Ｔｓは無効噴射パルス幅である。
【００４０】
コントロールユニット４９は、演算された燃料噴射量Ｔｉに対応するパルス信号をインジェクタ６の駆動回路（図示せず）に出力し、インジェクタ６の燃料噴射制御を行う。
【００４１】
コントロールユニット４９は、図４に示すマップに基づいてエンジン３０の負荷が所定値以下の成層燃焼領域で、シリンダ１４内の混合気の空燃比を理論空燃比より希薄側に制御する。エンジン３０の負荷が所定値を超えて上昇する均質燃焼領域で、シリンダ１４に供給される混合気の空燃比を理論空燃比またはリッチ側に制御する。
【００４２】
インジェクタ６の開弁時期である燃料噴射時期は、成層燃焼領域でピストン１が上昇する圧縮行程の後半に設定され、均質燃焼領域でピストン１が下降する吸気行程に設定されている。
【００４３】
シリンダ１４内に生起される吸気旋回流の勢力を調節するため、バタフライ式の吸気コントロールバルブ（図示せず）が各吸気ポート２１の分岐点より上流側に介装され、一方の吸気ポート２１からシリンダ１４内に導入される吸気量を調節するようになっている。
【００４４】
成層燃焼領域では、吸気コントロールバルブが閉弁することにより、一方の吸気ポート２１を通ってシリンダ１４に吸入される吸気流を絞り、他方の吸気ポート２１からシリンダ１４に流入する吸気量の割合を増やし、シリンダ１４内にスワール生起するようになっている。
【００４５】
均質燃焼領域では、吸気コントロールバルブが開弁することにより、各吸気ポート２１に吸気を均等に分流させ、シリンダ１４内にタンブルを生起するようになっている。
【００４６】
図１に示すように、排気通路４１は、各排気ポートに接続して各気筒から排気を取り出すエキゾーストマニホールド４２と、エキゾーストマニホールド４２に接続して排気中のＨＣ，ＣＯの酸化と、ＮＯｘの還元が行われる排気触媒コンバータ４３と、排気触媒コンバータ４３に接続する排気管４４等を備える。
【００４７】
吸気通路３１は、前述したようにシリンダ１４に接続する各吸気ポート２１と、各吸気ポート２１に接続して各気筒に吸気を分配するインテークマニホールド３２と、インテークマニホールド３２のコレクタ部３３に接続するむ冷気導入ダクト３４等を備え、図示しないエアクリーナから取り込まれた吸気をシリンダ１４に導くようになっている。
【００４８】
吸気加熱手段として、図１に示すように、冷気導入ダクト３４から分岐する排熱回収ダクト３５が配設される。
【００４９】
排熱回収ダクト３５は排気管４４と触媒コンバータ４３およびエキゾーストマニホールド４２のまわりを覆う筒状に形成される。排熱回収ダクト３５の開口端である入口３６から図示しないエアクリーナを介して取り入れた吸気は、排気管４４と触媒コンバータ４３およびエキゾーストマニホールド４２のまわりを通ってインテークマニホールド３２へと導かれる。吸気はこうして排熱回収ダクト３５内を流れる過程で、排気管４４と触媒コンバータ４３およびエキゾーストマニホールド４２からの伝熱により排気の熱を吸収するようになっている。
【００５０】
冷気導入ダクト３４と排熱回収ダクト３５の分岐部には両者の開口割合を調節する切換えバルブ４５が設けられる。切換えバルブ４５はシャフト４６によって回動可能に支持される。シャフト４６は冷気導入ダクト３４と排熱回収ダクト３５の分岐部に配置される。切換えバルブ４５は冷気導入ダクト３４を開通させ排熱回収ダクト３５を閉塞する閉位置と、冷気導入ダクト３４を閉塞し排熱回収ダクト３５を開通させる開位置と、冷気導入ダクト３４と排熱回収ダクト３５の両方を開通させる半開位置とを有する。
【００５１】
シャフト４６を回動させて切換えバルブ４５を開閉駆動するアクチュエータ４８が設けられる。アクチュエータ４８の作動を制御するコントロールユニット４９は、図４に示すように、成層燃焼領域に切換えバルブ４５を開位置に駆動して吸気の加熱を行う一方、均質燃焼領域に切換えバルブ４５を閉位置に駆動して吸気の加熱を停止する。
【００５２】
図５のフローチャートはコントロールユニット４９において実行される切換えバルブ４５を開閉する制御プログラムを示しており、これは一定周期毎に実行される。
【００５３】
これについて説明すると、まずステップ１にてエンジン冷却水温度ＴＷが規定値より高い暖機後かどうかを判定する。
【００５４】
暖機後はステップ３に進んでエンジン負荷およびエンジン回転数Ｎがそれぞれ規定値以下となる成層燃焼領域かどうかを判定する。
【００５５】
暖機後かつ成層燃焼領域と判定された場合、ステップ３に進んで、シリンダ１４内の混合気の空燃比を理論空燃比より希薄側に制御するとともに、切換えバルブ４５を開位置に駆動して吸気の加熱を行う。
【００５６】
一方、エンジン冷却水温度ＴＷが規定値以下の暖機時かもしくは均質燃焼領域と判定された場合、ステップ４に進んで、シリンダ１４内の混合気の空燃比を理論空燃比を中心とした狭い範囲に収めるとともに、切換えバルブ４５を閉位置に駆動して吸気の加熱を停止する。
【００５７】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００５８】
各吸気バルブ７が開かれるのに伴って各吸気ポート２１からシリンダ１４内に空気が吸入される。均質燃焼領域ではピストン１が下降する吸入行程でインジェクタ６が開弁し、成層燃焼領域ではピストン１が上昇する圧縮行程の後半にインジェクタ６が開弁し、インジェクタ６から燃料噴霧が燃焼室３に噴射される。
【００５９】
各吸気ポート２１を通ってシリンダ１４内に吸入された空気がピストン１で圧縮された状態で、点火栓４を介して燃料を着火燃焼させる。燃焼したガスはピストン１を下降させてクランクシャフトを介して回転力を取り出した後、ピストン１が上昇する排気行程中に排気バルブ８が開かれるのに伴って各排気ポートから排出される。これらの各行程が連続して繰り返される。
【００６０】
エンジン３０の負荷が所定値以下の成層燃焼領域で、図１に示すように、ピストン１が上昇する圧縮行程の後半にインジェクタ６から燃料が噴射される。インジェクタ６から噴射された燃料噴霧は、その大部分がキャビティ１１内に向かい、スワールによってキャビティ１１内で旋回する。キャビティ１１内に集められた燃料噴霧は、ピストン１によって加熱され、その微粒化および気化が進み、高濃度の混合気がキャビティ１１内に溜まる。図３に示すように、ピストン１が上死点に近づくのにしたがって、キャビティ１１内の高濃度の混合気に点火栓４が近づき、混合気の成層化がはかれ、着火が確実に行われる。
【００６１】
しかし、こうして混合気の成層化がはかられると、シリンダ１４に分布する混合気の等量比は、図１０に示すように、点火栓から離れるにしたがって次第に低くなるため、シリンダ１４のボアの近傍に混合比が火炎伝播限界混合比より低くなる消炎領域が存在する。
【００６２】
本発明はこれに対処して、成層燃焼領域では吸気の全量を排熱回収ダクトを通して吸気温度を高めることにより、火炎伝播限界混合比を低くし、シリンダ１４内における消炎領域を縮小する。この結果、消炎領域で生じる未燃焼ＨＣ量を減らし、エミッションを改善するとともに、燃費の低減がはかれる。
【００６３】
一方、エンジン３０の負荷が所定値を超えて上昇する均質燃焼領域で、吸気コントロールバルブが全開し、各吸気ポート２１を通ってシリンダ１４内に流入する吸気流が互いに衝突し、シリンダ１４内に生起されるスワールの勢力は弱まる。しかし、シリンダ１４に供給される混合気の空燃比が理論空燃比またはリッチ側に調節され、ピストン１が下降する吸入行程でインジェクタ６から燃料が噴射されることにより、ピストン１が上昇して点火時期を迎えるまでに燃焼室３に均質な混合気が形成される。
【００６４】
均質燃焼領域では吸気を切換えバルブ４５を介して排熱回収ダクト３５を通さずにシリンダ１４に導き、吸気の加熱を行わない。こうして均質燃焼領域では成層燃焼領域より吸気温度を低くすることにより、吸気充填効率を高め、高出力化がはかられる。均質燃焼領域ではシリンダ１４内に均質な混合気が形成されるため、吸気温度を低くしても、着火が確実に行われるとともに、火炎の伝播が促され、燃焼性が確保される。この結果、エミッションの悪化や燃費の増大を抑えられる。
【００６５】
他の実施形態として、コントロールユニット４９は、図７に示すように、成層燃焼領域に切換えバルブ４５が排熱回収ダクト３５を開通させる開度をエンジン負荷またはエンジン回転数Ｎが上昇するのに伴って次第に小さくしてもよい。
【００６６】
図５のフローチャートはコントロールユニット４９において実行される切換えバルブ４５を開閉する制御プログラムを示しており、これは一定周期毎に実行される。
【００６７】
これについて説明すると、まずステップ１にてエンジン冷却水温度ＴＷが規定値より高い暖機後かどうかを判定する。
【００６８】
暖機後はステップ３に進んでエンジン負荷およびエンジン回転数Ｎがそれぞれ規定値以下となる成層燃焼領域かどうかを判定する。
【００６９】
暖機後かつ成層燃焼領域と判定された場合、ステップ３に進んで、シリンダ１４内の混合気の空燃比を理論空燃比より希薄側に制御する。
【００７０】
続いてステップ５に進んで、切換えバルブ４５が排熱回収ダクト３５を開通させる開度をエンジン負荷またはエンジン回転数Ｎが上昇するのに伴って次第に小さくして、吸気温度を次第に低める構成とする。
【００７１】
この場合、成層燃焼領域にて吸気コントロールバルブの開度をエンジン負荷またはエンジン回転数Ｎが上昇するのに伴って次第に小さくすることにより、吸気温度を次第に低くする。
【００７２】
すなわち、成層燃焼領域の低速低負荷時では吸気の全量を排熱回収ダクトを通して吸気温度を高めることにより、火炎伝播限界混合比を低くし、シリンダ１４内における消炎領域を縮小する。この結果、消炎領域で生じる未燃焼ＨＣ量を減らし、エミッションを改善するとともに、燃費の低減がはかれる。
【００７３】
成層燃焼領域でもエンジン負荷またはエンジン回転数Ｎが上昇するのに伴って吸気温度を次第に低くすることにより、消炎領域を縮小することと吸気充填効率を高めることを両立して、エミッションを改善するとともに低燃費化および高出力化がはかれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示すエンジンの概略正面図。
【図２】同じく燃料噴射終了時期におけるエンジンの概略断面図。
【図３】同じく点火時期におけるエンジンの概略断面図。
【図４】同じく制御内容を示すタイミングチャート。
【図５】同じく制御内容を示すフローチャート。
【図６】同じく等量比と点火栓からの距離の関係を示す特性図。
【図７】他の実施形態における制御内容を示すタイミングチャート。
【図８】同じく制御内容を示すフローチャート。
【図９】従来例を示すエンジンの概略断面図。
【図１０】同じく等量比と点火栓からの距離の関係を示す特性図。
【符号の説明】
１ ピストン
３ 燃焼室
４ 点火栓
６ インジェクタ
７ 吸気バルブ
１０ ピストン冠部
１１ キャビティ
１４ シリンダ
２１ 吸気ポート
３０ エンジン
３１ 吸気通路
３４ 冷気導入ダクト
３５ 排熱回収ダクト
４１ 排気通路
４５ 切換えバルブ
４９ コントロールユニット
Claims (5)
- シリンダ内に吸気を導入する吸気通路と、
シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタと、
シリンダ内の混合気に点火する点火栓と、
シリンダ内から排気を排出する排気通路と
を備え、
インジェクタの燃料噴射時期を吸気行程とする均質燃焼領域と、
インジェクタの燃料噴射時期を圧縮行程とする成層燃焼領域と
を設定した筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、
前記吸気を加熱する吸気加熱手段を備え、
吸気加熱手段を介して成層燃焼領域にて均質燃焼領域より吸気温度を高めることにより、火炎伝播限界混合比を低くしてシリンダ内における消炎領域を縮小する構成とした
ことを特徴とする筒内直接噴射式火花点火エンジン。 - 前記成層燃焼領域にてエンジン負荷またはエンジン回転数が上昇するのに伴って吸気温度を次第に低める構成とした
ことを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジン。 - 前記吸気加熱手段として排気通路からの伝熱により吸気を加熱する排熱回収ダクトと、
排熱回収ダクトを流れる吸気量を調節する切換えバルブと
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジン。 - 前記成層燃焼領域にて切換えバルブが排熱回収ダクトを開通させ、
均質燃焼領域にて切換えバルブが排熱回収ダクトを閉塞する構成とした
ことを特徴とする請求項３に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジン。 - 前記成層燃焼領域にてエンジン負荷またはエンジン回転数が上昇するのに伴って切換えバルブが排熱回収ダクトを開通させる開度を次第に小さくする構成とした
ことを特徴とする請求項３に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジン。
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