JP4046055B2 - 筒内噴射式内燃機関 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の一実施形態に係る筒内噴射式内燃機関(以下「エンジン」という。)1の構成を示している。
シリンダブロック11には、ピストン12が挿入されており、ピストン12の冠面とシリンダヘッド13の下面との間に形成される空間が、燃焼室14となる。シリンダヘッド13には、気筒中心軸mを基準とした一側に吸気ポート15が形成されており、吸気ポート15は、図示しない吸気マニホールドと接続して、吸気通路を形成している。吸気ポート15は、吸気弁16により開放及び遮断される。一方、気筒中心軸mを基準とした他側に排気ポート17が形成されており、排気ポート17は、図示しない排気マニホールドと接続して、排気通路を形成している。排気ポート17は、排気弁18により開放及び遮断される。また、シリンダヘッド13には、燃焼室14の上部略中央に臨ませてインジェクタ19が設置されるとともに、このインジェクタ19に隣接させて点火プラグ20が設置されている。インジェクタ19は、気筒中心軸m上に配置されており、その噴射方向は、気筒中心軸mと平行に設定されている。ここで、インジェクタ19により噴射される噴霧Sの中心線(以下「噴霧中心線」という。)を記号nで示している。インジェクタ19からは、中空のコーン状に燃料が噴射される。噴霧中心線nは、気筒中心軸mと平行である。なお、ここでいう「平行」とは、完全な平行に限らず、実質的な平行を含む概念である。すなわち、噴霧中心線nは、気筒中心軸mと平行又はこれに近い状態にあり、噴霧を押し広げるという、後述する作用が得られる状態にあればよい。インジェクタ19へは、燃料ポンプ21により加圧された燃料が、燃料配管22を介して規定圧力で供給される。燃料ポンプ21は、エンジン1の出力により駆動される。
本実施形態では、成層燃焼に際し、エンジン1の要求負荷に応じてインジェクタ19の噴射形態を切り換える。すなわち、成層燃焼域のうち、要求負荷が比較的に低い低負荷域と、要求負荷が比較的に高い高負荷域とでは、設定した量の燃料を1回の噴射動作により噴射させる。また、これらの負荷領域に挟まれた中負荷域では、設定した量の燃料を2回の噴射動作により噴射させる。
要求負荷Tが負荷T1以上、かつ負荷T2以下の中負荷域にあるときは、設定した量の燃料を2回の噴射動作により噴射させるための設定とする。すなわち、1回目の噴射動作のための噴射時期(以下「第1の噴射時期」という。)ITcos1を時期CA0よりも遅角させて設定するとともに、2回目の噴射動作のための噴射時期(以下「第2の噴射時期」という。)ITcos2を、1回目の噴射動作が終了した後に設定する。具体的には、2回目の噴射動作のための噴射終了時期(以下「第2の噴射終了時期」という。)ITcoe2を上死点TDCの直前に固定して設定するとともに、1回目の噴射動作のための噴射終了時期(以下「第1の噴射終了時期」という。)ITcoe1を第2の噴射終了時期ITcoe2よりも所定のクランク角だけ進めた時期に固定して設定する。そして、第1の噴射時期ITcos1を第1の噴射終了時期ITcoe1よりも要求負荷Tに応じたクランク角だけ進めた時期に設定し、第2の噴射時期ITcos2を第2の噴射終了時期ITcoe2よりも所定のクランク角だけ進めた時期に設定する。第1の噴射終了時期ITcoe1と第2の噴射終了時期ITcoe2との間に充分な間隔を持たせることで、2回の噴射動作が実質的に連続した噴射動作とならないようにする。具体的には、1回目の噴射動作が終了した後、インジェクタ19の先端部近傍におけるガス流動、すなわち、噴射方向に向かう空気の流れがある程度収まってから2回目の噴射動作を行わせるようにする。また、第1の噴射時期ITcos1は、要求負荷Tの増大に応じて進角させることとし、2回目の噴射動作に際して設定される噴射期間ΔIT2(「第2の噴射期間」に相当する。)は、中負荷域全体に渡りクランク角に関して長さを一定とし、かつ1回目の噴射動作に際して設定される噴射期間ΔIT1(「第1の噴射期間」に相当する。)よりも短くする。
図3は、燃料噴射制御ルーチンのフローチャートであり、このルーチンは、所定の時間毎に実行される。
S101では、吸入空気量QM、エンジン回転数NE及びアクセル開度APOを読み込む。
S105では、燃料噴射量Qfaを算出する。燃料噴射量Qfaは、吸入空気量QM及びエンジン回転数NEに基づいて理論空燃比相当の基本燃料噴射量(=K×QM/NE:Kを定数とする。)を算出するとともに、算出した基本燃料噴射量に目標燃空比TFBYAを乗算して算出する。また、算出したQfaに対し、冷却水温度Tw等に応じた各種の補正を施し、最終的な燃料噴射量Qfaを設定するようにしてもよい。
S107〜109では、エンジン1が成層燃焼域の中負荷域にあるものとして、インジェクタ19に対し、次のように2回の噴射動作を行わせる。
一方、S110,111では、エンジン1が成層燃焼域の低負荷域又は高負荷域にあるものとして、インジェクタ19に対し、次のように1回の噴射動作を行わせる。
すなわち、S110では、噴射時期ITcosを設定する。噴射時期ITcosは、燃料噴射量Qfaに対応させて割り付けたテーブル(図5)を検索して設定する。このテーブルにおいて、燃料噴射量Qfa1及びQfa2は、負荷T1,T2に夫々対応する。また、噴射時期ITcosは、予め定められた噴射終了時期ITcoeから燃料噴射量Qfaに応じた長さの噴射期間だけ進角させた時期に設定する。
S112〜115では、次のように拡散燃焼による運転を行う。
すなわち、S112では、目標燃空比TFBYAを1に設定する。
S113では、吸入空気量QM及びエンジン回転数NEに基づいて燃料噴射量Qfa(=K×QM/NE)を算出する。
S115では、設定した噴射時期ITinsにより燃料噴射を実行する。
図6は、成層燃焼時に混合気塊が形成される様子を示している。
(a)は、低負荷域の場合を示している。低負荷域では、燃料は、1回の噴射動作により内側キャビティ121aに向けて噴射される。噴射時に与えられる噴霧の運動量で内側キャビティ121a内に循環流が形成され、内側キャビティ121a内及びその上方に噴霧が集中した混合気塊Mが形成される。
第1に、ピストン12の冠面にキャビティ121を形成し、このキャビティ121の中央部上方にインジェクタ19を設置するとともに、成層燃焼に際し、中負荷域では燃料を2回の噴射動作により噴射することとした。このため、1回目の噴射動作により噴射された第1の噴霧を2回目の噴射動作により噴射された第2の噴霧により押し広げ、適度な広がりを持たせることができるので、混合気塊全体の空燃比をほぼ均一に、かつ良好なものとするとともに、リッチ部分及びリーン部分の発生を防止し、エミッションを改善することができる。また、形成された混合気塊において、第2の噴霧は点火プラグ周りに分布することになるので、着火性を確保することができる。
図7は、噴射形態に応じた燃料消費量CONSを示している。中負荷域において、1回の噴射動作により内側キャビティ121aを指向して混合気を形成した場合は、燃料噴射量に対して形成される混合気塊が小さく、混合気塊全体の空燃比が低くなり過ぎる(図8a)。このため、スモークの増大及びNOxの生成が問題となるうえ、燃料が過度に濃くなることから、燃焼安定性が損なわれ、燃料消費量が増大する。一方、中負荷域において、1回の噴射動作により外側キャビティ121bを指向して混合気塊を形成した場合は、燃料噴射量に対して形成される混合気塊が大きく、混合気塊全体の空燃比が高くなり過ぎる(図8b)。このため、失火によるHC及びCOの増大が問題となるうえ、燃料が不足しがちであることから、燃焼安定性が損なわれ、燃料消費量が増大する。これに対し、本実施形態によれば、2回の噴射動作を行わせ、第1の噴霧を第2の噴霧により押し広げることで、形成される混合気塊の大きさが適度なものとなり、エミッションが良く、失火も生じない安定した燃焼を実現することができ、燃料消費量を低減することができる。
Claims (10)
- 冠面の中央部に形成された内側キャビティと、この内側キャビティの周囲に形成された外側キャビティとを有するピストンと、
前記冠面の中央部上方に位置し、かつ燃料の噴射方向がピストンの移動方向と平行であるインジェクタと、
インジェクタに隣接して位置する点火プラグと、
インジェクタによる第1の燃料噴射のため、圧縮行程に含まれる第1の噴射期間を設定する第1の噴射期間設定手段と、
インジェクタによる第2の燃料噴射のため、前記圧縮行程に含まれ、かつ第1の噴射期間よりも遅い時期の第2の噴射期間を設定する第2の噴射期間設定手段と、を含んで構成され、
前記第1及び第2の燃料噴射が、ともに前記内側キャビティを指向して行われ、
前記第1の燃料噴射により前記内側キャビティ内に噴射された第1の噴霧が前記第2の燃料噴射により噴射された第2の噴霧により上方から前記内側キャビティ内に押し込まれ、前記内側キャビティからはみ出すように広げられて、前記内側キャビティ外に外縁が定められる混合気塊が形成される筒内噴射式内燃機関。 - 冠面の中央部に形成された内側キャビティと、この内側キャビティの周囲に形成された外側キャビティとを有するピストンと、
前記冠面の中央部上方に位置し、かつ燃料の噴射方向がピストンの移動方向と平行であるインジェクタと、
インジェクタに隣接して位置する点火プラグと、
インジェクタによる第1の燃料噴射のため、圧縮行程に含まれる第1の噴射期間を設定する第1の噴射期間設定手段と、
インジェクタによる第2の燃料噴射のため、前記圧縮行程に含まれ、かつ第1の噴射期間よりも遅い時期の第2の噴射期間を設定する第2の噴射期間設定手段と、を含んで構成され、
前記第1及び第2の燃料噴射が、ともに前記内側キャビティのみを指向して行われる筒内噴射式内燃機関。 - 前記第1及び第2の噴射期間設定手段は、エンジンが中負荷運転領域にあるときの噴射期間を設定するものであり、
エンジンが低負荷運転領域にあるときのインジェクタの噴射期間を、圧縮行程に含まれ、かつ噴射された燃料の噴霧が前記内側及び外側キャビティのうち、内側キャビティに衝突する時期に設定する低負荷時噴射期間設定手段と、
エンジンが高負荷運転領域にあるときのインジェクタの噴射期間を、圧縮行程に含まれ、かつ噴射された燃料の噴霧が前記内側及び外側キャビティのうち、外側キャビティに衝突する時期に設定する高負荷時噴射期間設定手段と、を更に含んで構成される請求項1又は2に記載の筒内噴射式内燃機関。 - 前記第1の噴射期間設定手段により設定される第1の噴射期間の始期が、低負荷時噴射期間設定手段により設定される噴射期間の始期よりもクランク角に関して早い請求項3に記載の筒内噴射式内燃機関。
- 前記第1の噴射期間設定手段により設定される第1の噴射期間の始期が、高負荷時噴射期間設定手段により設定される噴射期間の終期よりもクランク角に関して遅い請求項3又は4に記載の筒内噴射式内燃機関。
- 前記インジェクタの噴射期間を制御してエンジンへの燃料供給量を調節する場合に、
エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段を更に含んで構成され、
前記第1の噴射期間設定手段は、前記第1の噴射期間を、前記運転状態検出手段により検出したエンジンの運転状態に応じた長さに設定する請求項1〜5のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関。 - 前記第1の噴射期間設定手段は、前記第1の噴射期間の始期を前後させて、前記第1の噴射期間を設定した長さに調節する請求項6に記載の筒内噴射式内燃機関。
- 前記第2の燃料噴射による燃料噴射量が前記第1の燃料噴射による燃料噴射量よりも少ない請求項1〜7のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関。
- 前記点火プラグの点火時期を設定する点火時期設定手段を更に含んで構成され、
前記点火時期設定手段は、前記点火プラグの点火時期を、前記第2の燃料噴射により噴射され、前記ピストンの冠面に向かう途中の燃料の噴霧に対して点火が行われる時期に設定する請求項1〜8のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関。 - 前記点火時期設定手段は、前記点火プラグの点火時期を、前記第2の燃料噴射により噴射された燃料の噴霧が前記ピストンの冠面に衝突する前に点火が行われる時期に設定する請求項9に記載の筒内噴射式内燃機関。
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