JP3978965B2 - Combustion control device for 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、予混合圧縮自己着火燃焼を行う内燃機関に係り、特に筒内の混合気分布を最適化することによって、燃焼時期を安定させ、広い運転範囲で圧縮自己着火燃焼を行う内燃機関の燃焼制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
ガソリンエンジンの熱効率を改善するために、混合気をリーン化することでポンプ損失を低減すると共に作動ガスの比熱比を大きくして理論熱効率を向上する手法が知られている。しかしながら、従来の火花点火エンジンでは空燃比をリーン化すると燃焼期間が長期化して燃焼安定度が悪化する。このため、空燃比のリーン化には限界がある。
【0003】
このような燃焼安定度の悪化を避けながら空燃比をリーン化する技術として、特開平7−71279号公報にあるように予混合圧縮自己着火燃焼を起こさせる2行程サイクルエンジンが開示されている。予混合圧縮自己着火燃焼では燃焼室の複数の位置から燃焼反応が起こるため、空燃比がリーン化した場合においても火花点火に比べると燃焼期間が長期化せずに、よりリーンな空燃比でも安定した燃焼が可能となる。また空燃比がリーンのために燃焼温度が低下し、NOx(窒素酸化物)も大幅に低減できる。
【0004】
第2の従来技術として、特開平11−236848号公報にあるように、1サイクル中に燃料を2回に分けて筒内に供給する圧縮着火式内燃機関が開示されている。この従来例は、ディーゼル機関の燃焼を穏やかにして、ノッキング限界改善とNOx及び煤の発生量を低減するため、圧縮上死点前の所定の噴射時期において総噴射量の30%以下の第1回の燃料噴射を行い、次いでほぼ圧縮上死点付近の第2回の噴射時期で残りの燃料を噴射している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、第1の従来例では通常の2行程サイクルエンジン構成としているためガス交換を制御する吸気バルブおよび排気バルブがなく、未燃ガスの吹き抜けが発生し燃費が悪化していた。また、膨張行程はガス交換を行う必要性から後半に排気を行う膨張排気行程となるので、燃焼ガスの膨張による仕事を十分に取り出すことができないため、高負荷運転が困難であるという問題点があった。
【0006】
また、第2の従来技術のように2回目の燃料噴射量を1回目より多くした場合、1回目の噴射によって生成された薄い混合気は、軽油のように非常に着火性の良い燃料の場合には燃焼するが、ガソリンのような着火性が悪い燃料の場合には、大量の未燃HCが排出されるという問題点があった。
【0007】
また、2回目の噴射量が相対的に多いため、燃焼温度が高くなりNOx低減が困難であるという問題点があった。
【0008】
本発明はかかる問題点に鑑みたもので、その目的は、ノッキング及び燃焼不安定を回避しつつ、圧縮自己着火燃焼による運転範囲を拡大して、燃費を改善することのできる内燃機関の燃焼制御装置を提供することである。
【0009】
また本発明の目的は、圧縮自己着火燃焼による未燃HC(炭化水素)及びNOxを低減したクリーンな内燃機関を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項1記載の発明は、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁から燃焼サイクル毎に第1回と第2回の燃料噴射を行い、ピストンの上動により圧縮した高温高圧の混合気を着火燃焼させる内燃機関の燃焼制御装置において、第1回の燃料噴射により圧縮上死点付近で着火しない第1の混合気領域を形成し、第2回の燃料噴射により圧縮上死点付近で着火する第2の混合気領域を燃焼室中心軸付近に形成し、第1の混合気領域は、第2の混合気領域の外周部に形成され、燃焼室壁付近は燃料が殆どない空気層とされ、第2回の燃料噴射における噴射量は、少なくともノック限界付近において、第1回の燃料噴射量より少なくしたことを要旨とする。
【0013】
上記課題を解決するため請求項記載の発明は、請求項1記載の内燃機関の燃焼制御装置において、第2回の燃料噴射における噴射量は、少なくともノック限界付近において、総噴射量の約40%以下としたことを要旨とする。
【0018】
上記課題を解決するため請求項記載の発明は、請求項1または請求項2に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、第1の混合気領域と第2の混合気領域との空気過剰率の差は、少なくともノック限界付近において、約1.0以下としたことを要旨とする。
【0019】
上記課題を解決するため請求項記載の発明は、請求項1ないし請求項のいずれか1項記載の内燃機関の燃焼制御装置において、第1の混合気領域の着火時期が圧縮行程終了後となるように、第2回の燃料噴射時期を制御することを要旨とする。
【0020】
上記課題を解決するため請求項記載の発明は、請求項1ないし請求項のいずれか1項記載の内燃機関の燃焼制御装置において、機関負荷の低下に応じて、前記空気過剰率の差を縮小、或いは第1回目の燃料噴射時期を遅角、或いは第2回の燃料噴射における噴射量を減少させることを要旨とする。
【0021】
【発明の効果】
請求項1に記載の発明によれば、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁から燃焼サイクル毎に第1回と第2回の燃料噴射を行い、ピストンの上動により圧縮した高温高圧の混合気を着火燃焼させる内燃機関の燃焼制御装置において、第1回の燃料噴射により圧縮上死点付近で着火しない第1の混合気領域を形成し、第2回の燃料噴射により圧縮上死点付近で着火する第2の混合気領域を燃焼室中心軸付近に形成し、第1の混合気領域は、第2の混合気領域の外周部に形成され、燃焼室壁付近は燃料が殆どない空気層とされ、第2回の燃料噴射における噴射量は、少なくともノック限界付近において、第1回の燃料噴射量より少なくするようにしたので、圧縮上死点付近で第2の混合気領域が確実に着火すると共に、着火した第2の混合気領域から未着火の第1の混合気領域へ徐々に燃焼が広がる為に、内燃機関の自己着火性を向上させるとともに、ノッキングを防止し音響振動特性を向上させることができるという効果がある。
また、圧縮上死点付近で着火する第2の混合気領域を燃焼室中心軸付近に形成したので、燃焼室中心部付近から着火して燃焼室周辺部へ等方的に燃焼が広がり、シリンダに加えられる燃焼圧が均等になり更に振動を低減することができるという効果がある。
【0022】
また、第1の混合気領域は、第1回の燃料噴射により形成され、第2の混合気領域は、第1回の燃料噴射に加えて第2回の燃料噴射により形成されるようにしたので、第1及び第2の混合気領域の形成に複雑な装置を用いることなく、燃料噴射時期及び噴射回数の制御のみで両混合気領域を形成することができるという効果がある。
【0023】
また、第2回の燃料噴射における噴射量は、少なくともノック限界付近において、第1回の燃料噴射量より少なくしたので、燃料濃度が高く高温で燃焼する部分の空間が減少し、NOx排出量を低減することができるとともに、粒子状物質の排出量を低減できるという効果がある。
さらに、シリンダ壁付近の低温部には燃料がないため、火炎がシリンダ壁付近に達する前に燃料が燃え尽きて、HCの排出量をほぼゼロに低減することができる。
【0024】
請求項に記載の発明によれば、請求項1記載の発明の効果に加えて、第2回の燃料噴射における噴射量は、少なくともノック限界付近において、総噴射量の約40%以下としたことにより、NOx及び粒子状物質の排出量を更に低減することができる。
【0029】
請求項に記載の発明によれば、請求項1または請求項2に記載の発明の効果に加えて、第1の混合気領域と第2の混合気領域との空気過剰率の差は、少なくともノック限界付近において、約1.0以下としたことにより、さらに大幅にNOxを低減することができる。
【0030】
請求項に記載の発明によれば、請求項1ないし請求項3に記載の発明の効果に加えて、第1の混合気領域の着火時期が圧縮行程終了後となるように、第2回の燃料噴射時期を制御するようにしたので、燃焼室容積が拡大する膨張行程で燃焼が行われるため、ノッキングの原因となる筒内圧力上昇率を効果的に減少することができる。
【0031】
請求項に記載の発明によれば、請求項1ないし請求項4に記載の発明の効果に加えて、機関負荷の低下に応じて、前記空気過剰率の差を縮小、或いは第1回目の燃料噴射時期を遅角、或いは第2回の燃料噴射における噴射量を減少させるようにしたので、高負荷時のHC及びNOxの低減と、低負荷時のHC及びNOxの低減を両立させることができる。
【0032】
【発明の実施の形態】
〔第1実施形態〕
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図1は、本発明に係る内燃機関の燃焼制御装置をガソリンエンジンに適用した第1実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【0033】
本発明においては、1回目の燃料噴射により圧縮上死点付近では着火しない第1の混合気領域6を形成するとともに、2回目の燃料噴射により圧縮上死点付近で着火する第2の混合気領域7を形成することが特徴である。
【0034】
図中のエンジン本体10は、シリンダ11と、シリンダヘッド12と、ピストン13と、吸気ポート14と、吸気ポート14を開閉する吸気弁15と、排気ポート16と、排気ポート16を開閉する排気弁17と、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁18とを備えている。
【0035】
尚、図中符号6は第1の混合気領域、符号7は第2の混合気領域、符号8は燃焼室壁付近の空気層をそれぞれ示す。
【0036】
このエンジン本体10を制御する電子制御装置(以下、ECUと略す)1は、クランク角センサ信号及びアクセル開度センサ信号に基づいて運転条件を判定し、燃料噴射回数を1回または2回とする運転条件判定部2と、運転条件判定部2の判定に従って1回目の燃料噴射を制御することによって第1の混合気領域6を形成する1回目燃料噴射制御部3と、運転条件判定部2の判定に従って2回目の燃料噴射を制御することによって第2の混合気領域7を形成する2回目燃料噴射制御部4と、1回目燃料噴射制御部3及び2回目燃料噴射制御部4からの信号に従って燃料噴射弁18の駆動信号を出力する燃料噴射弁駆動部5とを備えている。
【0037】
尚、ECU1の構成要素は、ハードワイヤードの論理回路で構成することもできるが、マイクロコンピュータ及びその制御プログラムとして実現することもできる。
【0038】
図2は、エンジン本体10の要部平面図の例である。図2において、エンジン本体10は、吸気ポート14、吸気弁15、排気ポート16、排気弁17をそれぞれ2つづつ備え、高回転高負荷時の吸排気効率を改善すると共に、動弁系の質量を低減している。吸気ポート14の一方には、スワール制御弁19が設けられ、スワール制御弁19を閉じることにより、筒内に横旋回流(スワール)を形成し、燃料と吸気の混合を促進できるようになっている。
【0039】
但し、本発明は、必ずしも吸排気弁が多弁であることを必要とせず、スワール制御弁も必須ではない。
【0040】
図3は、本実施形態に用いられる燃料噴射弁18の一例であるホロコーン噴射弁20の先端部の形状を示す縦断面図である。ホロコーン噴射弁20は、バルブボディ先端部21の中央に噴射弁軸方向に一つの噴口22と、この噴口22を開閉するニードルバルブ23とが設けられている。そして図示しない駆動コイルに燃料噴射パルスの通電を行うと、ニードルバルブ23が図中上方へ引き上げられ、噴口22が開いて燃料が噴射されるようになっている。ニードルバルブ23の弁リフト量は所望の噴射期間に応じて可変となるような構成としても良い。
【0041】
噴口22から噴射された燃料は、ホロコーン噴射弁20の軸と同軸の円錐面形状に広がる。ホロコーン噴射弁20は、比較的低い燃料圧力で用いることができる。
【0042】
ホロコーン噴射弁20を用いた燃料噴射時期が吸気行程、又は圧縮行程中の比較的早い時期であれば、筒内圧力は余り高くないので噴射された燃料は容易に飛翔することができ、筒内の比較的広い領域に分布する。これとは逆に、燃料噴射時期が圧縮行程中の比較的遅い時期であれば、筒内圧力が高いので、噴射された燃料は飛翔が困難となり、余り広がることはない。
【0043】
図4は、本実施形態に用いられる燃料噴射弁18の他の例である多噴口噴射弁30の先端部の形状を示す縦断面図(a)及び平面図(b)である。多噴口噴射弁30は、バルブボディ先端部31の中央に噴射弁軸方向に一つの中央噴口32と、この中央噴口32の周囲に噴射弁軸方向に対して傾いた方向を指向する4つの側方噴口33と、ニードルバルブ34とが設けられている。ニードルバルブ34の弁リフト量は所望の噴射期間に応じて可変となるような構成としても良い。側方噴口33は、燃料噴射弁軸、または気筒軸周りに回転対称に配置されるのが好ましく、その数は必ずしも4に限らず複数、好ましくは3以上の数であればよい。
【0044】
そして、図示しない駆動コイルに燃料噴射パルスを通電すると、ニードルバルブ34が図中上方へ引き上げられ、中央噴口32及び複数の側方噴口33が開き、燃料が噴射されるようになっている。中央噴口32、側方噴口33から噴射された燃料は、多噴口噴射弁30の軸と同軸の円錐形状に広がる。多噴口噴射弁30は、比較的高い燃料圧力で用いられ、噴射された燃料の粒径が小さくなり、排気中の粒子状物質を大幅に低減できる。
【0045】
多噴口噴射弁30を用いた燃料噴射時期が吸気行程、又は圧縮行程中の比較的早い時期であれば、筒内圧力は余り高くないので噴射された燃料は容易に飛翔することができ、筒内の比較的広い領域に分布する。これとは逆に、燃料噴射時期が圧縮行程中の比較的遅い時期であれば、筒内圧力が高いので、噴射された燃料は飛翔が困難となり、余り広がることはない。
【0046】
図5は、本第1実施形態の燃料噴射により形成される高負荷時の筒内燃料分布の例を示すグラフである。同図において、横軸はシリンダ中心軸(燃焼室中心軸)からの距離を示し、縦軸は当量比を示す。シリンダ軸回り方向の燃料分布は、一様な分布、即ち図5を縦軸中心に回転させた分布となっている。
【0047】
同図に示すように、高負荷時には、シリンダ中心軸付近に当量比が高く圧縮上死点付近で着火する第2の混合気領域7が形成され、その外周部に当量比が低く圧縮上死点付近で着火しない第1の混合気領域6が形成され、さらにシリンダ壁付近は燃料が殆どない空気層8となっている。
【0048】
第1の混合気領域6は、1回目燃料噴射制御部3の制御により吸気行程または圧縮行程に噴射されて形成され、第2の混合気領域7は、2回目燃料噴射制御部4の制御により圧縮行程中の1回目燃料噴射後から圧縮上死点までの間に燃料噴射されて形成される。尚、空気層8の形成を確実にするためには、1回目燃料噴射は吸気行程の後半以後に行うことが望ましい。
【0049】
図6は、本第1実施形態の燃料噴射により形成される低負荷時の筒内燃料分布の例を示すグラフである。同図において、横軸はシリンダ中心軸(燃焼室中心軸)からの距離を示し、縦軸は当量比を示す。シリンダ軸回り方向の燃料分布は、一様な分布、即ち図6を縦軸中心に回転させた分布となっている。
【0050】
同図に示すように、低負荷時には、例えばシリンダ中心軸付近からボア半径の1/2程度まで1つの混合気領域9が形成され、その外側はシリンダ壁まで空気層8が設けられている。
【0051】
低負荷時の混合気領域9の当量比は、高負荷時の第1の混合気領域6より高く、同第2の混合気領域7よりやや低くなるように、1回目燃料噴射制御部3の制御により形成される。これにより、低負荷時の着火性を確保するとともに、低温のシリンダ壁に火炎が達する前に燃料が燃え尽き、未燃HCの排出をほぼゼロとすることができる。
【0052】
図7は、高負荷時に第2の混合気領域の筒内体積比率を変化させた場合のNOx排出量変化を示すグラフである。高負荷時に燃焼室中心軸付近の第2の混合気領域の体積比率を圧縮上死点における燃焼室容積の0%から100%まで徐々に増やすと、体積比率の増加に従ってNOx排出量は増加する。これは、当量比の高い、言い換えれば燃料濃度の高い領域の体積比率が増加するため、燃焼温度が高くなる領域の体積比率が増加するためである。
【0053】
図8は、高負荷時に第2の混合気領域の筒内体積比率を変化させた場合のHC排出量変化を示すグラフである。
【0054】
高負荷時に燃焼室中心軸付近の第2の混合気領域の体積比率を圧縮上死点における燃焼室容積の0%から100%まで徐々に増やすと、最初は着火性の良い第2の混合気領域が殆どないため、着火性が悪くHC排出量が多いが、体積比率の増加に伴って着火性が良くなるため急激にほぼゼロまでHC排出量が低下する。そして、体積比率が約20%程度を超えたところから、体積比率の増加に従って、HC排出量が増加する。しかもその増加の割合は、体積比率が100%に近づくにつれてより急激となる。
【0055】
これは、着火性の良い第2の混合気領域の体積比率が増加するということは、当量比の高い、燃料濃度の高い混合気領域が燃焼室壁付近まで広がることになる。このため、ピストンクレビス部や燃焼室壁面の直近まで燃料が拡散し、これら低温部に接する燃料層がクエンチ層(消炎層)となることによる。
【0056】
以上の図7及び図8から、高負荷時の第2の混合気領域は、圧縮上死点における燃焼室積の10〜30%程度の体積であることが好ましいといえる。
【0057】
図9は、低負荷時に第2の混合気領域の筒内体積比率を変化させた場合のNOx排出量変化を示すグラフである。低負荷時に燃焼室中心軸付近の第2の混合気領域の体積比率を圧縮上死点における燃焼室容積の0%から100%まで徐々に増やすと、体積比率の増加に従ってNOx排出量は低減し、約50%程度でNOxは殆ど無くなる。
【0058】
図10は、低負荷時に第2の混合気領域の筒内体積比率を変化させた場合のHC排出量変化を示すグラフである。低負荷時に燃焼室中心軸付近の第2の混合気領域の体積比率を圧縮上死点における燃焼室容積の0%から100%まで徐々に増やすと、0%から50%程度までは、HC排出量は殆どないが、50%程度を超えたところから体積比率の増加に伴って最初は徐々に、後に急激にHC排出量が増加する。これは、着火性の良い第2の混合気領域の体積比率に従って、ピストンクレビス部や燃焼室壁面の直近まで燃料が拡散し、これら低温部に接する燃料層がクエンチ層となることによる。
【0059】
以上の図9及び図10から、低負荷時には、第2の混合気領域は、圧縮上死点における燃焼室容積の約50%の体積とすることにより、NOx及びHCの排出量を低減することができる。
【0060】
図11は、1回目燃料噴射制御部3及び2回目燃料噴射制御部4による燃料噴射量の負荷に対する制御を説明するグラフである。
【0061】
1回目噴射量は、高負荷時の噴射量から負荷の減少に従って噴射量は直線的に減少する。2回目噴射量は、高負荷時の噴射量から負荷の減少に従って直線的に減少し、低負荷近辺ではゼロとする。高負荷時の1回目噴射量は、1回目と2回目とを合わせた全噴射量の半分を超える噴射量、好ましくは60ないし80%とし、2回目噴射量はその残量である20ないし40%とする。
【0062】
高負荷から低負荷へ負荷が減少するに従って2回目噴射量を減少させているので、1回目の燃料噴射により形成される第1の混合気領域の空気過剰率と、2回目の燃料噴射により形成される第2の混合気領域の空気過剰率との差は、高負荷時に1.0以下であり、負荷が減少するに従って低下する。
【0063】
図12は、1回目燃料噴射制御部3及び2回目燃料噴射制御部4による燃料噴射時期の負荷に対する制御を説明するグラフである。
【0064】
2回目の噴射時期は、圧縮行程後半の上死点前の一定の時期とし、好ましくは第2の混合気領域が圧縮自己着火する時期が圧縮行程終了後となるように時期が設定される。1回目の噴射時期は、高負荷時にはBDC近くの進角した時期であるが、負荷の減少に従って2回目噴射時期の直前、好ましくは圧縮行程終了前60度まで遅角させている。
【0065】
〔第2実施形態〕
次に、図13ないし図19を参照して、本発明に係る内燃機関の燃焼制御装置の第2の実施形態を説明する。
【0066】
図13は、本発明に係る内燃機関の燃焼制御装置をガソリンエンジンに適用した第2実施形態の構成を示すシステム構成図である。本実施形態の構成は、図1に示した第1実施形態の構成とほぼ同様であるので、同様な構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
【0067】
尚、本実施形態におけるエンジン本体10の要部平面図は、図2に示した第1実施形態と同様であり、本実施形態に用いられる燃料噴射弁18は、図3及び図4に示した第1実施形態と同様である。
【0068】
第2実施形態においては、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁18から1回目の燃料噴射により形成される第1の混合気領域6の形状と、2回目の燃料噴射により形成される第2の混合気領域7の形状とが第1実施形態と異なっていることが特徴である。
【0069】
図14は、第2実施形態の燃料噴射により形成される高負荷時の筒内燃料分布の例を示すグラフである。同図において、横軸はシリンダ中心軸(燃焼室中心軸)からの距離を示し、縦軸は当量比を示す。シリンダ軸回り方向の燃料分布は、一様な分布、即ち図14を縦軸中心に回転させた分布となっている。
【0070】
同図に示すように、高負荷時には、シリンダ中心軸付近に当量比が比較的低く圧縮上死点付近で着火しない第1の混合気領域6が形成され、その外周部に当量比が比較的高く圧縮上死点付近で着火する第2の混合気領域7がドーナツ状に形成され、さらにシリンダ壁付近は燃料が殆どない空気層8となっている。
【0071】
第1の混合気領域6は、1回目燃料噴射制御部3の制御により吸気行程または圧縮行程に噴射されて形成され、第2の混合気領域7は、2回目燃料噴射制御部4の制御により圧縮行程中の1回目燃料噴射後から圧縮上死点までの間に燃料噴射されて形成される。尚、空気層8の形成を確実にするためには、1回目燃料噴射は吸気行程の後半以後に行うことが望ましい。
【0072】
図15は、本第2実施形態の燃料噴射により形成される低負荷時の筒内燃料分布の例を示すグラフである。同図において、横軸はシリンダ中心軸(燃焼室中心軸)からの距離を示し、縦軸は当量比を示す。シリンダ軸回り方向の燃料分布は、一様な分布、即ち図15を縦軸中心に回転させた分布となっている。
【0073】
同図に示すように、低負荷時には、例えばシリンダ中心軸付近からボア半径の約1/3程度まで第1の混合気領域6が形成され、その外周部に比較的当量比が高い第2の混合気領域7がボア半径の約2/3程度までドーナツ状に形成され、その外側はシリンダ壁まで空気層8が設けられている。
【0074】
そして低負荷時には、第1の混合気領域6の当量比と、第2の混合気領域7の当量比の差は、高負荷時より大きくなるように設定されている。これにより、低負荷時の着火性を確保するとともに、低温のシリンダ壁に火炎が達する前に燃料が燃え尽き、未燃HCの排出をほぼゼロとすることができる。
【0075】
図16は、第1の混合気領域の筒内体積比率を変化させた場合のNOx排出量変化を示すグラフであり、高負荷時から低負荷時までほぼ同様の傾向を示す。
【0076】
燃焼室中心軸付近の第1の混合気領域の体積比率を圧縮上死点における燃焼室容積の0%から100%まで徐々に増やすと、体積比率35%程度までは、NOx排出量はほぼゼロであるが、体積比率の増加に従ってNOx排出量は増加し、ほぼ70%前後で最大となり、以後低下する。
【0077】
これは、圧縮上死点付近で着火しない第1の混合気領域の体積比率が増加するに従って圧縮上死点付近で着火する第2の混合気領域の体積比率が減少し、結果として第2の混合気領域の燃料濃度が高まり、燃焼温度が上昇してNOx排出量が増加するためである。
【0078】
第1の混合気領域の体積比率が圧縮上死点における燃焼室容積の約70%を超えたところから100%へ向かってNOx排出量が低減するのは、第1の混合気領域の体積比率の増加に従って第2の混合気領域の体積比率が減少するとともに、燃焼時までに第2の混合気領域がその外側の空気層に拡散することにより、高温度で燃焼する領域が減少するためである。
【0079】
図17は、第1の混合気領域の筒内体積比率を変化させた場合のHC排出量変化を示すグラフであり、高負荷時から低負荷時までほぼ同様の傾向を示す。
【0080】
燃焼室中心軸付近の第1の混合気領域の体積比率を圧縮上死点における燃焼室容積の0%から100%まで徐々に増やすと、最初は圧縮上死点付近で着火しない第1の混合気領域が殆どなく、圧縮上死点付近で着火する第2の混合気領域の体積比率が殆どを占めるため、第2の混合気領域全体の当量比が低下し、その着火性が悪くHC排出量が多いが、第1の混合気領域の体積比率の増加に伴って第2の混合気領域の着火性が良くなるため急激にほぼゼロまでHC排出量が低下する。
【0081】
そして、第1の混合気領域の体積比率が圧縮上死点における燃焼室容積の約20%から約45%程度までHC排出量はほぼゼロとなる。第1の混合気領域の体積比率が約45%を超えたところから、体積比率の増加に従って、HC排出量が増加する。しかもその増加の割合は、体積比率が100%に近づくにつれてより急激となる。
【0082】
これは、燃焼室中心部から周囲に広がる第1の混合気領域の体積比率が増加するに従って、その外周部に存在する着火性の良い第2の混合気領域、即ち、当量比の高い、燃料濃度の高い混合気領域が燃焼室壁付近まで広がることになる。このため、ピストンクレビス部や燃焼室壁面の直近まで燃料が拡散し、これら低温部に接する燃料層がクエンチ層(消炎層)となることによる。
【0083】
以上の図16及び図17から、本第2実施形態においては、第1の混合気領域は、圧縮上死点における燃焼室積の約20%〜約40%程度の体積であることが好ましいといえる。
【0084】
図18は、1回目燃料噴射制御部3及び2回目燃料噴射制御部4による燃料噴射量の負荷に対する制御を説明するグラフである。
【0085】
1回目噴射量は、高負荷時の噴射量から負荷の減少に従って噴射量は直線的に減少する。2回目噴射量は、高負荷時の噴射量から負荷の減少に従って直線的に増加し、その増加の割合は、1回目噴射量の減少の割合より小さい。
【0086】
高負荷時の1回目噴射量は、1回目と2回目とを合わせた全噴射量の半分を超える噴射量、好ましくは60ないし80%とし、2回目噴射量はその残量である20ないし40%とする。
【0087】
高負荷から低負荷へ負荷が減少するに従って2回目噴射量を減少させているので、1回目の燃料噴射により形成される第1の混合気領域の空気過剰率と、2回目の燃料噴射により形成される第2の混合気領域の空気過剰率との差は、高負荷時に0ないし1.0であり、負荷が減少するに従って低下する。
【0088】
図19は、1回目燃料噴射制御部3及び2回目燃料噴射制御部4による燃料噴射時期の負荷に対する制御を説明するグラフである。
【0089】
2回目の噴射時期は、圧縮行程後半の上死点前の一定の時期とし、好ましくは第2の混合気領域が圧縮自己着火する時期が圧縮行程終了後となるように時期が設定される。1回目の噴射時期は、図示しない吸気行程、または図19に示すように圧縮行程の前半の時期としている。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る内燃機関の燃焼制御装置をガソリンエンジンに適用した第1の実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【図2】実施形態のエンジン本体の要部平面図の例である。
【図3】実施形態に用いられるホロコーン噴射弁の先端部の形状を示す縦断面図である。
【図4】実施形態に用いられる多噴口噴射弁の先端部の形状を示す縦断面図(a)及び平面図(b)である。
【図5】第1実施形態の燃料噴射により形成される高負荷時の筒内燃料分布の例を示すグラフである。
【図6】第1実施形態の燃料噴射により形成される低負荷時の筒内燃料分布の例を示すグラフである。
【図7】第1実施形態において、高負荷時に第2の混合気領域の筒内体積比率を変化させた場合のNOx排出量を示すグラフである。
【図8】第1実施形態において、高負荷時に第2の混合気領域の筒内体積比率を変化させた場合のHC排出量を示すグラフである。
【図9】第1実施形態において、低負荷時に第2の混合気領域の筒内体積比率を変化させた場合のNOx排出量を示すグラフである。
【図10】第1実施形態において、低負荷時に第2の混合気領域の筒内体積比率を変化させた場合のHC排出量を示すグラフである。
【図11】第1実施形態において、1回目及び2回目燃料噴射量の負荷に対する制御を説明するグラフである。
【図12】第1実施形態において、1回目及び2回目燃料噴射時期の負荷に対する制御を説明するグラフである。
【図13】本発明に係る内燃機関の燃焼制御装置をガソリンエンジンに適用した第2の実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【図14】第2実施形態の燃料噴射により形成される高負荷時の筒内燃料分布の例を示すグラフである。
【図15】第2実施形態の燃料噴射により形成される低負荷時の筒内燃料分布の例を示すグラフである。
【図16】第2実施形態において、第1の混合気領域の筒内体積比率を変化させた場合のNOx排出量を示すグラフである。
【図17】第2実施形態において、第1の混合気領域の筒内体積比率を変化させた場合のHC排出量を示すグラフである。
【図18】第2実施形態において、1回目及び2回目燃料噴射量の負荷に対する制御を説明するグラフである。
【図19】第2実施形態において、1回目及び2回目燃料噴射時期の負荷に対する制御を説明するグラフである。
【符号の説明】
1 電子制御装置(ECU)
2 運転条件判定部
3 1回目燃料噴射制御部
4 2回目燃料噴射制御部
5 燃料噴射弁駆動部
6 第1の混合気領域
7 第2の混合気領域
8 空気層
10 エンジン本体
11 シリンダブロック
12 シリンダヘッド
13 ピストン
14 吸気ポート
15 吸気弁
16 排気ポート
17 排気弁
18 燃料噴射弁
19 スワール制御弁
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an internal combustion engine that performs premixed compression self-ignition combustion, and more particularly to an internal combustion engine that performs compression self-ignition combustion in a wide operating range by stabilizing the combustion timing by optimizing the mixture distribution in the cylinder. The present invention relates to a combustion control device.
[0002]
[Prior art]
In order to improve the thermal efficiency of a gasoline engine, a method is known in which the air-fuel mixture is leaned to reduce pump loss and increase the specific heat ratio of the working gas to increase the theoretical thermal efficiency. However, in the conventional spark ignition engine, when the air-fuel ratio is made lean, the combustion period becomes longer and the combustion stability deteriorates. For this reason, there is a limit to the lean air-fuel ratio.
[0003]
As a technique for leaning the air-fuel ratio while avoiding such deterioration in combustion stability, a two-stroke cycle engine that causes premixed compression self-ignition combustion is disclosed in JP-A-7-71279. In premixed compression self-ignition combustion, combustion reactions occur from multiple positions in the combustion chamber, so even when the air-fuel ratio is lean, the combustion period is not prolonged compared to spark ignition and stable even at a leaner air-fuel ratio. Combustion becomes possible. Further, since the air-fuel ratio is lean, the combustion temperature is lowered, and NOx (nitrogen oxide) can be greatly reduced.
[0004]
As a second conventional technique, a compression ignition type internal combustion engine is disclosed in which fuel is divided into two portions and supplied into a cylinder in one cycle as disclosed in JP-A-11-236848. In this conventional example, in order to moderate the combustion of the diesel engine and improve the knocking limit and reduce the generation amount of NOx and soot, the first injection of 30% or less of the total injection amount at a predetermined injection timing before the compression top dead center. Next, the remaining fuel is injected at the second injection timing almost near the compression top dead center.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the first conventional example has a normal two-stroke cycle engine configuration, there is no intake valve and exhaust valve for controlling gas exchange, and unburned gas blows out, resulting in deterioration of fuel consumption. In addition, since the expansion stroke is an expansion / exhaust stroke in which exhaust is performed in the latter half because of the need to perform gas exchange, work due to expansion of the combustion gas cannot be taken out sufficiently, which makes it difficult to perform high-load operation. there were.
[0006]
When the second fuel injection amount is increased from the first time as in the second prior art, the thin air-fuel mixture generated by the first injection is a fuel with very good ignitability such as light oil. However, in the case of a fuel with poor ignitability such as gasoline, a large amount of unburned HC is discharged.
[0007]
Further, since the second injection amount is relatively large, there is a problem that the combustion temperature becomes high and it is difficult to reduce NOx.
[0008]
The present invention has been made in view of such problems, and its object is to control combustion of an internal combustion engine capable of improving the fuel consumption by expanding the operating range by compression self-ignition combustion while avoiding knocking and combustion instability. Is to provide a device.
[0009]
Another object of the present invention is to provide a clean internal combustion engine that reduces unburned HC (hydrocarbon) and NOx by compression self-ignition combustion.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 performs the first and second fuel injections for each combustion cycle from the fuel injection valve for directly injecting fuel into the cylinder, and the piston is compressed by the upward movement of the piston. In a combustion control apparatus for an internal combustion engine that ignites and burns a high-temperature and high-pressure air-fuel mixture, a first air-fuel mixture region that does not ignite near the compression top dead center is formed by the first fuel injection, and compression is performed by the second fuel injection A second gas mixture region that ignites near the top dead center is formed in the vicinity of the central axis of the combustion chamber, the first gas mixture region is formed in the outer periphery of the second gas mixture region, and the vicinity of the combustion chamber wall is the fuel. The gist is that the amount of injection in the second fuel injection is less than the first fuel injection amount at least near the knock limit.
[0013]
In order to solve the above-mentioned problem, according to a second aspect of the present invention, in the combustion control device for an internal combustion engine according to the first aspect , the injection amount in the second fuel injection is about the total injection amount at least near the knock limit. The gist is that it is 40% or less.
[0018]
In order to solve the above-mentioned problem, an invention according to claim 3 is the combustion control device for an internal combustion engine according to claim 1 or 2, wherein the excess air ratio between the first mixture region and the second mixture region is set. The difference is that it is about 1.0 or less at least near the knock limit.
[0019]
In order to solve the above-mentioned problems, a fourth aspect of the present invention is the combustion control device for an internal combustion engine according to any one of the first to third aspects, wherein the ignition timing of the first mixture region is after the end of the compression stroke. Thus, the gist is to control the second fuel injection timing.
[0020]
In order to solve the above-mentioned problem, a fifth aspect of the present invention provides the combustion control apparatus for an internal combustion engine according to any one of the first to fourth aspects, wherein the difference in the excess air ratio according to a decrease in engine load. Or reducing the injection amount in the second fuel injection, or delaying the first fuel injection timing.
[0021]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, the first and second fuel injections are performed for each combustion cycle from the fuel injection valve that injects the fuel directly into the cylinder, and the high-temperature and high-pressure compressed by the upward movement of the piston is performed. In a combustion control apparatus for an internal combustion engine that ignites and burns an air-fuel mixture, a first air-fuel mixture region that does not ignite near the compression top dead center is formed by the first fuel injection, and a compression top dead center is formed by the second fuel injection. A second gas mixture region that ignites in the vicinity is formed in the vicinity of the center axis of the combustion chamber, the first gas mixture region is formed in the outer periphery of the second gas mixture region, and there is almost no fuel in the vicinity of the combustion chamber wall. Since the air amount is set so that the injection amount in the second fuel injection is smaller than the first fuel injection amount at least in the vicinity of the knock limit, the second mixture region is near the compression top dead center. The second gas mixture region ignited reliably and ignited To spread gradually combustion to the first mixture region Luo non-ignition, thereby improving the self-ignition of the internal combustion engine, there is an effect that knocking can be improved preventing acoustic vibrations characteristic.
In addition, since the second air-fuel mixture region that ignites near the compression top dead center is formed near the center axis of the combustion chamber, it is ignited from the vicinity of the center portion of the combustion chamber and isotropically spread to the periphery of the combustion chamber. As a result, the combustion pressure applied to the gas can be made uniform and vibrations can be further reduced.
[0022]
Further, the first mixture region is formed by the first fuel injection, and the second mixture region is formed by the second fuel injection in addition to the first fuel injection. Therefore, there is an effect that both the mixture regions can be formed only by controlling the fuel injection timing and the number of injections without using a complicated device for forming the first and second mixture regions.
[0023]
In addition, since the injection amount in the second fuel injection is smaller than the first fuel injection amount at least near the knock limit, the space of the portion where the fuel concentration is high and the fuel is burned at high temperature is reduced, and the NOx emission amount is reduced. In addition to reducing the amount of particulate matter, the amount of particulate matter discharged can be reduced.
Furthermore, since there is no fuel in the low-temperature portion near the cylinder wall, the fuel is burned out before the flame reaches the vicinity of the cylinder wall, and the HC emission amount can be reduced to almost zero.
[0024]
According to the invention described in claim 2 , in addition to the effect of the invention described in claim 1 , the injection amount in the second fuel injection is about 40% or less of the total injection amount at least near the knock limit. As a result, the amount of NOx and particulate matter discharged can be further reduced.
[0029]
According to the invention described in claim 3 , in addition to the effect of the invention described in claim 1 or 2, the difference in the excess air ratio between the first mixture region and the second mixture region is: By setting it to about 1.0 or less at least near the knock limit, NOx can be further greatly reduced.
[0030]
According to the invention described in claim 4 , in addition to the effects of the invention described in claims 1 to 3 , the second time is set so that the ignition timing of the first mixture region comes after the end of the compression stroke. Since the fuel injection timing is controlled, combustion is performed in the expansion stroke in which the volume of the combustion chamber is expanded, so that the in-cylinder pressure increase rate that causes knocking can be effectively reduced.
[0031]
According to the fifth aspect of the present invention, in addition to the effects of the first to fourth aspects of the invention, the difference in the excess air ratio is reduced or the first time according to the decrease in the engine load. Since the fuel injection timing is retarded or the injection amount in the second fuel injection is reduced, it is possible to reduce both HC and NOx at high load and HC and NOx at low load. it can.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[First Embodiment]
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a system configuration diagram showing a configuration of a first embodiment in which a combustion control device for an internal combustion engine according to the present invention is applied to a gasoline engine.
[0033]
In the present invention, the first air-fuel mixture region 6 that does not ignite near the compression top dead center is formed by the first fuel injection, and the second air-fuel mixture ignited near the compression top dead center by the second fuel injection. It is characteristic that the region 7 is formed.
[0034]
The engine body 10 in the figure includes a cylinder 11, a cylinder head 12, a piston 13, an intake port 14, an intake valve 15 that opens and closes the intake port 14, an exhaust port 16, and an exhaust valve that opens and closes the exhaust port 16. 17 and a fuel injection valve 18 for injecting fuel directly into the cylinder.
[0035]
In the figure, reference numeral 6 denotes a first mixture region, reference numeral 7 denotes a second mixture region, and reference numeral 8 denotes an air layer near the combustion chamber wall.
[0036]
An electronic control unit (hereinafter abbreviated as ECU) 1 that controls the engine body 10 determines operating conditions based on a crank angle sensor signal and an accelerator opening sensor signal, and sets the number of fuel injections once or twice. An operation condition determination unit 2, a first fuel injection control unit 3 that forms the first mixture region 6 by controlling the first fuel injection according to the determination of the operation condition determination unit 2, and the operation condition determination unit 2 According to the signal from the second fuel injection control unit 4 that forms the second mixture region 7 by controlling the second fuel injection according to the determination, and the first fuel injection control unit 3 and the second fuel injection control unit 4 And a fuel injection valve drive unit 5 that outputs a drive signal for the fuel injection valve 18.
[0037]
In addition, although the component of ECU1 can also be comprised with a hard-wired logic circuit, it can also be implement | achieved as a microcomputer and its control program.
[0038]
FIG. 2 is an example of a plan view of a main part of the engine body 10. In FIG. 2, the engine body 10 includes two intake ports 14, intake valves 15, exhaust ports 16, and exhaust valves 17, improving the intake / exhaust efficiency at high rotation and high load, and the mass of the valve operating system. Is reduced. One of the intake ports 14 is provided with a swirl control valve 19, and by closing the swirl control valve 19, a lateral swirl flow (swirl) is formed in the cylinder so that mixing of fuel and intake air can be promoted. Yes.
[0039]
However, the present invention does not necessarily require that the intake and exhaust valves are multi-valves, and the swirl control valve is not essential.
[0040]
FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing the shape of the distal end portion of a holocorn injection valve 20 which is an example of the fuel injection valve 18 used in the present embodiment. The hollow cone injection valve 20 is provided with one injection hole 22 in the center of the valve body tip 21 in the injection valve axial direction and a needle valve 23 that opens and closes the injection hole 22. When a fuel injection pulse is energized to a drive coil (not shown), the needle valve 23 is lifted upward in the figure, and the nozzle 22 is opened to inject fuel. The valve lift amount of the needle valve 23 may be variable according to a desired injection period.
[0041]
The fuel injected from the injection port 22 spreads in a conical surface shape coaxial with the axis of the holocon injection valve 20. The hollow cone injector 20 can be used at a relatively low fuel pressure.
[0042]
If the fuel injection timing using the hollow cone injection valve 20 is relatively early during the intake stroke or compression stroke, the injected fuel can fly easily because the in-cylinder pressure is not so high. It is distributed over a relatively wide area. On the contrary, if the fuel injection timing is relatively late during the compression stroke, the in-cylinder pressure is high, so that the injected fuel becomes difficult to fly and does not spread too much.
[0043]
FIG. 4 is a longitudinal sectional view (a) and a plan view (b) showing the shape of the distal end portion of a multi-injection injection valve 30 which is another example of the fuel injection valve 18 used in the present embodiment. The multi-injection injection valve 30 has one central injection port 32 in the injection valve axial direction at the center of the valve body tip 31 and four sides oriented around the central injection injection port 32 in a direction inclined with respect to the injection valve axial direction. A direction nozzle 33 and a needle valve 34 are provided. The valve lift amount of the needle valve 34 may be variable according to a desired injection period. The side injection holes 33 are preferably arranged rotationally symmetrically around the fuel injection valve shaft or the cylinder axis, and the number thereof is not necessarily limited to four but may be a plurality, preferably three or more.
[0044]
When a fuel injection pulse is applied to a drive coil (not shown), the needle valve 34 is lifted upward in the figure, the central injection port 32 and the plurality of side injection ports 33 are opened, and fuel is injected. The fuel injected from the central injection port 32 and the side injection port 33 spreads in a conical shape coaxial with the axis of the multi-injection injection valve 30. The multi-injection injection valve 30 is used at a relatively high fuel pressure, the particle size of the injected fuel is reduced, and particulate matter in the exhaust can be greatly reduced.
[0045]
If the fuel injection timing using the multi-injection valve 30 is relatively early during the intake stroke or compression stroke, the injected fuel can fly easily because the cylinder pressure is not so high. It is distributed over a relatively wide area. On the contrary, if the fuel injection timing is relatively late during the compression stroke, the in-cylinder pressure is high, so that the injected fuel becomes difficult to fly and does not spread too much.
[0046]
FIG. 5 is a graph showing an example of the in-cylinder fuel distribution at the time of high load formed by the fuel injection of the first embodiment. In the figure, the horizontal axis indicates the distance from the cylinder central axis (combustion chamber central axis), and the vertical axis indicates the equivalence ratio. The fuel distribution around the cylinder axis is a uniform distribution, that is, a distribution obtained by rotating FIG. 5 about the vertical axis.
[0047]
As shown in the figure, when the load is high, a second air-fuel mixture region 7 is formed near the center axis of the cylinder that has a high equivalence ratio and ignites near the compression top dead center. A first air-fuel mixture region 6 that does not ignite near the point is formed, and an air layer 8 with almost no fuel is formed near the cylinder wall.
[0048]
The first mixture region 6 is formed by being injected in the intake stroke or the compression stroke by the control of the first fuel injection control unit 3, and the second mixture region 7 is controlled by the control of the second fuel injection control unit 4. It is formed by fuel injection after the first fuel injection in the compression stroke until the compression top dead center. In order to ensure the formation of the air layer 8, it is desirable to perform the first fuel injection after the latter half of the intake stroke.
[0049]
FIG. 6 is a graph showing an example of the in-cylinder fuel distribution at the time of low load formed by the fuel injection of the first embodiment. In the figure, the horizontal axis indicates the distance from the cylinder central axis (combustion chamber central axis), and the vertical axis indicates the equivalence ratio. The fuel distribution around the cylinder axis is a uniform distribution, that is, a distribution obtained by rotating FIG. 6 about the vertical axis.
[0050]
As shown in the figure, at the time of low load, for example, one air-fuel mixture region 9 is formed from the vicinity of the cylinder central axis to about ½ of the bore radius, and an air layer 8 is provided outside the cylinder wall.
[0051]
The equivalence ratio of the air-fuel mixture region 9 at the time of low load is higher than that of the first air-fuel mixture region 6 at the time of high load and slightly lower than that of the second air-fuel mixture region 7. Formed by control. As a result, the ignitability at the time of low load is ensured, the fuel is burned out before the flame reaches the low-temperature cylinder wall, and the discharge of unburned HC can be made almost zero.
[0052]
FIG. 7 is a graph showing the NOx emission amount change when the in-cylinder volume ratio of the second mixture region is changed at high load. When the volume ratio of the second mixture region near the center axis of the combustion chamber is increased gradually from 0% to 100% of the combustion chamber volume at the compression top dead center at high load, the NOx emission increases as the volume ratio increases. . This is because the volume ratio of the region with a high equivalence ratio, in other words, the region with a high fuel concentration increases, and the volume ratio of the region with a high combustion temperature increases.
[0053]
FIG. 8 is a graph showing changes in the HC emission amount when the in-cylinder volume ratio of the second mixture region is changed at high load.
[0054]
When the volume ratio of the second gas mixture region near the center axis of the combustion chamber is increased gradually from 0% to 100% of the combustion chamber volume at the compression top dead center at the time of high load, the second gas mixture having good ignitability is initially obtained. Since there is almost no region, the ignitability is poor and the HC emission amount is large, but the ignitability improves as the volume ratio increases, so the HC emission amount suddenly decreases to almost zero. And since the volume ratio exceeds about 20%, HC discharge | emission amount increases as the volume ratio increases. Moreover, the rate of increase becomes more rapid as the volume ratio approaches 100%.
[0055]
This is because when the volume ratio of the second gas mixture region having good ignitability increases, the gas mixture region having a high equivalence ratio and high fuel concentration extends to the vicinity of the combustion chamber wall. For this reason, it is because a fuel spread | diffuses to the piston clevis part and the combustion chamber wall surface in the immediate vicinity, and the fuel layer which contact | connects these low temperature parts becomes a quench layer (flame extinction layer).
[0056]
From the above FIGS. 7 and 8, the second fuel-air mixture region of at high load, it would be preferable that the volume of about 10 to 30% of the combustion chamber volume product at compression top dead center.
[0057]
FIG. 9 is a graph showing changes in NOx emission when the in-cylinder volume ratio of the second gas mixture region is changed at low load. When the volume ratio of the second mixture region near the center axis of the combustion chamber at low load is gradually increased from 0% to 100% of the combustion chamber volume at the compression top dead center , the NOx emission decreases as the volume ratio increases. In about 50%, NOx is almost lost.
[0058]
FIG. 10 is a graph showing changes in the HC emission amount when the in-cylinder volume ratio of the second mixture region is changed at low load. When the volume ratio of the second gas mixture region near the center axis of the combustion chamber at low load is gradually increased from 0% to 100% of the combustion chamber volume at the compression top dead center , the HC emission is about 0% to 50%. Although there is almost no amount, the amount of HC emission increases gradually from the point where it exceeds about 50%, with the increase in the volume ratio, and then suddenly increases later. This is because, according to the volume ratio of the second gas mixture region having good ignitability, the fuel diffuses to the immediate vicinity of the piston clevis portion and the combustion chamber wall surface, and the fuel layer in contact with these low temperature portions becomes a quench layer.
[0059]
9 and 10 described above , the NOx and HC emissions are reduced by setting the second gas mixture region to a volume of about 50% of the combustion chamber volume at the compression top dead center when the load is low. Can do.
[0060]
FIG. 11 is a graph illustrating the control of the fuel injection amount load by the first fuel injection control unit 3 and the second fuel injection control unit 4.
[0061]
In the first injection amount, the injection amount linearly decreases as the load decreases from the injection amount at the time of high load. The second injection amount linearly decreases as the load decreases from the injection amount at the time of high load, and is zero near the low load. The first injection amount at high load is more than half of the total injection amount of the first and second injections, preferably 60 to 80%, and the second injection amount is the remaining amount 20 to 40 %.
[0062]
As the load decreases from a high load to a low load, the second injection amount is decreased. Therefore, the excess air ratio in the first mixture region formed by the first fuel injection and the second fuel injection are formed. The difference from the excess air ratio in the second air-fuel mixture region is 1.0 or less at high load and decreases as the load decreases.
[0063]
FIG. 12 is a graph illustrating control of the fuel injection timing by the first fuel injection control unit 3 and the second fuel injection control unit 4 with respect to the load.
[0064]
The second injection timing is set to a certain time before the top dead center in the latter half of the compression stroke, and is preferably set so that the timing at which the second gas mixture region undergoes compression self-ignition is after the end of the compression stroke. The first injection timing is an advanced angle close to BDC at high load, but is retarded just before the second injection timing, preferably 60 degrees before the end of the compression stroke, as the load decreases.
[0065]
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the combustion control apparatus for an internal combustion engine according to the present invention will be described with reference to FIGS.
[0066]
FIG. 13 is a system configuration diagram showing the configuration of a second embodiment in which the combustion control device for an internal combustion engine according to the present invention is applied to a gasoline engine. Since the configuration of the present embodiment is substantially the same as the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1, the same reference numerals are given to the same components, and redundant description is omitted.
[0067]
In addition, the principal part top view of the engine main body 10 in this embodiment is the same as that of 1st Embodiment shown in FIG. 2, The fuel injection valve 18 used for this embodiment is shown in FIG.3 and FIG.4. This is the same as in the first embodiment.
[0068]
In the second embodiment, the shape of the first air-fuel mixture region 6 formed by the first fuel injection from the fuel injection valve 18 that directly injects fuel into the cylinder, and the second fuel injection formed by the second fuel injection. 2 is characterized in that the shape of the air-fuel mixture region 7 is different from that of the first embodiment.
[0069]
FIG. 14 is a graph showing an example of in-cylinder fuel distribution at the time of high load formed by fuel injection according to the second embodiment. In the figure, the horizontal axis indicates the distance from the cylinder central axis (combustion chamber central axis), and the vertical axis indicates the equivalence ratio. The fuel distribution around the cylinder axis is a uniform distribution, that is, a distribution obtained by rotating FIG. 14 about the vertical axis.
[0070]
As shown in the figure, when the load is high, the equivalence ratio is relatively low in the vicinity of the center axis of the cylinder, and the first mixture region 6 that does not ignite near the compression top dead center is formed. A second air-fuel mixture region 7 that is highly ignited near the compression top dead center is formed in a donut shape, and further, an air layer 8 in the vicinity of the cylinder wall is almost free of fuel.
[0071]
The first mixture region 6 is formed by being injected in the intake stroke or the compression stroke by the control of the first fuel injection control unit 3, and the second mixture region 7 is controlled by the control of the second fuel injection control unit 4. It is formed by fuel injection after the first fuel injection in the compression stroke until the compression top dead center. In order to ensure the formation of the air layer 8, it is desirable to perform the first fuel injection after the latter half of the intake stroke.
[0072]
FIG. 15 is a graph showing an example of the in-cylinder fuel distribution at the time of low load formed by the fuel injection of the second embodiment. In the figure, the horizontal axis indicates the distance from the cylinder central axis (combustion chamber central axis), and the vertical axis indicates the equivalence ratio. The fuel distribution around the cylinder axis is a uniform distribution, that is, a distribution obtained by rotating FIG. 15 about the vertical axis.
[0073]
As shown in the figure, at the time of low load, for example, the first air-fuel mixture region 6 is formed from the vicinity of the cylinder center axis to about 1/3 of the bore radius, and the second equivalence ratio is relatively high on the outer periphery. The air-fuel mixture region 7 is formed in a donut shape up to about 2/3 of the bore radius, and an air layer 8 is provided on the outside to the cylinder wall.
[0074]
When the load is low, the difference between the equivalence ratio of the first mixture region 6 and the equivalence ratio of the second mixture region 7 is set to be larger than that during the high load. As a result, the ignitability at the time of low load is ensured, the fuel is burned out before the flame reaches the low-temperature cylinder wall, and the discharge of unburned HC can be made almost zero.
[0075]
FIG. 16 is a graph showing the NOx emission amount change when the in-cylinder volume ratio of the first mixture region is changed, and shows almost the same tendency from the time of high load to the time of low load.
[0076]
When the volume ratio of the first gas mixture region near the combustion chamber central axis is gradually increased from 0% to 100% of the combustion chamber volume at the compression top dead center , the NOx emission is almost zero until the volume ratio is about 35%. However, the NOx emission increases as the volume ratio increases, reaches a maximum around 70%, and then decreases.
[0077]
This is because the volume ratio of the second gas mixture region that ignites near the compression top dead center decreases as the volume ratio of the first gas mixture region that does not ignite near the compression top dead center increases. This is because the fuel concentration in the mixture region increases, the combustion temperature rises, and the NOx emission amount increases.
[0078]
The NOx emission amount decreases from the point where the volume ratio of the first mixture region exceeds about 70% of the combustion chamber volume at the compression top dead center to 100%. This is because the volume ratio of the second gas mixture region decreases with an increase in the amount of gas and the second gas mixture region diffuses into the outer air layer by the time of combustion, thereby reducing the region that burns at high temperature. is there.
[0079]
FIG. 17 is a graph showing a change in the HC discharge amount when the in-cylinder volume ratio of the first mixture region is changed, and shows almost the same tendency from a high load to a low load.
[0080]
If the volume ratio of the first gas mixture region near the combustion chamber central axis is gradually increased from 0% to 100% of the combustion chamber volume at the compression top dead center, the first mixture that does not ignite near the compression top dead center at first. Since there is almost no gas region and the volume ratio of the second gas mixture region that ignites near the compression top dead center occupies most, the equivalent ratio of the second gas mixture region as a whole decreases, and its ignitability is poor and HC emissions Although the amount is large, as the volume ratio of the first gas mixture region increases, the ignitability of the second gas mixture region becomes better, so the HC emission amount suddenly decreases to almost zero.
[0081]
The HC emission amount becomes almost zero when the volume ratio of the first mixture region is about 20% to about 45% of the combustion chamber volume at the compression top dead center . Since the volume ratio of the first gas mixture region exceeds about 45%, the HC emission amount increases as the volume ratio increases. Moreover, the rate of increase becomes more rapid as the volume ratio approaches 100%.
[0082]
This is because, as the volume ratio of the first air-fuel mixture region spreading from the center of the combustion chamber to the surroundings increases, the second air-fuel mixture region having good ignitability existing in the outer peripheral portion, that is, the fuel having a high equivalence ratio A high-concentration mixture region extends to the vicinity of the combustion chamber wall. For this reason, it is because a fuel spread | diffuses to the piston clevis part and the combustion chamber wall surface in the immediate vicinity, and the fuel layer which contact | connects these low temperature parts becomes a quench layer (flame extinction layer).
[0083]
From the above FIGS. 16 and 17, in this second embodiment, the first mixture region of, preferably a volume of about 20% to about 40% of the combustion chamber volume product at compression top dead center It can be said.
[0084]
FIG. 18 is a graph illustrating the control of the fuel injection amount load by the first fuel injection control unit 3 and the second fuel injection control unit 4.
[0085]
In the first injection amount, the injection amount linearly decreases as the load decreases from the injection amount at the time of high load. The second injection amount increases linearly as the load decreases from the injection amount at the time of high load, and the increase rate is smaller than the decrease rate of the first injection amount.
[0086]
The first injection amount at high load is more than half of the total injection amount of the first and second injections, preferably 60 to 80%, and the second injection amount is the remaining amount 20 to 40 %.
[0087]
As the load decreases from a high load to a low load, the second injection amount is decreased. Therefore, the excess air ratio in the first mixture region formed by the first fuel injection and the second fuel injection are formed. The difference from the excess air ratio in the second air-fuel mixture region is 0 to 1.0 at a high load, and decreases as the load decreases.
[0088]
FIG. 19 is a graph illustrating the control of the fuel injection timing by the first fuel injection control unit 3 and the second fuel injection control unit 4 with respect to the load.
[0089]
The second injection timing is set to a certain time before the top dead center in the latter half of the compression stroke, and is preferably set so that the timing at which the second gas mixture region undergoes compression self-ignition is after the end of the compression stroke. The first injection timing is the intake stroke (not shown) or the first half of the compression stroke as shown in FIG.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system configuration diagram showing a configuration of a first embodiment in which a combustion control device for an internal combustion engine according to the present invention is applied to a gasoline engine.
FIG. 2 is an example plan view of a main part of an engine body according to the embodiment.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing a shape of a tip portion of a holocorn injection valve used in the embodiment.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view (a) and a plan view (b) showing the shape of the tip of a multi-injection valve used in the embodiment.
FIG. 5 is a graph showing an example of in-cylinder fuel distribution at the time of high load formed by fuel injection according to the first embodiment.
FIG. 6 is a graph showing an example of in-cylinder fuel distribution at low load formed by fuel injection according to the first embodiment.
FIG. 7 is a graph showing the NOx emission amount when the in-cylinder volume ratio of the second mixture region is changed at high load in the first embodiment.
FIG. 8 is a graph showing the amount of HC discharged when the in-cylinder volume ratio of the second mixture region is changed at high load in the first embodiment.
FIG. 9 is a graph showing the NOx emission amount when the in-cylinder volume ratio of the second gas mixture region is changed at low load in the first embodiment.
FIG. 10 is a graph showing the amount of HC discharged when the in-cylinder volume ratio of the second mixture region is changed at low load in the first embodiment.
FIG. 11 is a graph illustrating control of the first and second fuel injection amounts with respect to load in the first embodiment.
FIG. 12 is a graph for explaining the control of the load at the first and second fuel injection timings in the first embodiment.
FIG. 13 is a system configuration diagram showing a configuration of a second embodiment in which a combustion control device for an internal combustion engine according to the present invention is applied to a gasoline engine.
FIG. 14 is a graph showing an example of in-cylinder fuel distribution at the time of high load formed by fuel injection according to the second embodiment.
FIG. 15 is a graph showing an example of in-cylinder fuel distribution at low load formed by fuel injection according to the second embodiment.
FIG. 16 is a graph showing the NOx emission amount when the in-cylinder volume ratio of the first mixture region is changed in the second embodiment.
FIG. 17 is a graph showing the HC discharge amount when the in-cylinder volume ratio of the first mixture region is changed in the second embodiment.
FIG. 18 is a graph illustrating control of the first and second fuel injection amounts with respect to load in the second embodiment.
FIG. 19 is a graph for explaining the control over the load at the first and second fuel injection timings in the second embodiment.
[Explanation of symbols]
1 Electronic control unit (ECU)
2 Operating condition determination unit 3 1st fuel injection control unit 4 2nd fuel injection control unit 5 Fuel injection valve drive unit 6 First mixture region 7 Second mixture region 8 Air layer 10 Engine body 11 Cylinder block 12 Cylinder Head 13 Piston 14 Intake port 15 Intake valve 16 Exhaust port 17 Exhaust valve 18 Fuel injection valve 19 Swirl control valve

Claims (5)

筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁から燃焼サイクル毎に第1回と第2回の燃料噴射を行い、ピストンの上動により圧縮した高温高圧の混合気を着火燃焼させる内燃機関の燃焼制御装置において、
第1回の燃料噴射により圧縮上死点付近で着火しない第1の混合気領域を形成し、第2回の燃料噴射により圧縮上死点付近で着火する第2の混合気領域を燃焼室中心軸付近に形成し、第1の混合気領域は、第2の混合気領域の外周部に形成され、燃焼室壁付近は燃料が殆どない空気層とされ、
第2回の燃料噴射における噴射量は、少なくともノック限界付近において、第1回の燃料噴射量より少なくしたことを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
Combustion control of an internal combustion engine that performs first and second fuel injections for each combustion cycle from a fuel injection valve that directly injects fuel into a cylinder and ignites and burns a high-temperature and high-pressure air-fuel mixture compressed by the upward movement of the piston In the device
A first mixture region that does not ignite near the compression top dead center is formed by the first fuel injection, and a second mixture region that ignites near the compression top dead center by the second fuel injection is the center of the combustion chamber. Formed near the shaft, the first mixture region is formed at the outer periphery of the second mixture region, the vicinity of the combustion chamber wall is an air layer with little fuel,
An internal combustion engine combustion control apparatus characterized in that the injection amount in the second fuel injection is smaller than the first fuel injection amount at least near the knock limit.
第2回の燃料噴射における噴射量は、少なくともノック限界付近において、総噴射量の約40%以下としたことを特徴とする請求項1記載の内燃機関の燃焼制御装置。 2. The combustion control apparatus for an internal combustion engine according to claim 1 , wherein the injection amount in the second fuel injection is set to about 40% or less of the total injection amount at least near the knock limit . 第1の混合気領域と第2の混合気領域との空気過剰率の差は、少なくともノック限界付近において、約1.0以下としたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の内燃機関の燃焼制御装置。The difference in excess air ratio between the first air-fuel mixture region and the second air-fuel mixture region is about 1.0 or less at least near the knock limit. Combustion control device for an internal combustion engine. 第1の混合気領域の着火時期が圧縮行程終了後となるように、第2回の燃料噴射時期を制御することを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の内燃機関の燃焼制御装置。The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3, wherein the second fuel injection timing is controlled so that the ignition timing of the first air-fuel mixture region comes after the end of the compression stroke. Engine combustion control device. 機関負荷の低下に応じて、前記空気過剰率の差を縮小、或いは第1回目の燃料噴射時期を遅角、或いは第2回の燃料噴射における噴射量を減少させることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の内燃機関の燃焼制御装置。2. The difference in excess air ratio is reduced, the first fuel injection timing is retarded, or the injection amount in the second fuel injection is decreased in accordance with a decrease in engine load. The combustion control apparatus for an internal combustion engine according to any one of claims 4 to 4.
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