JP4052148B2 - 直噴火花点火式内燃機関 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直噴火花点火式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、直噴火花点火式内燃機関では、特許文献１に示されるように、燃焼室の側部に配置される燃料噴射弁から２つの吸気弁の間を経由し燃焼室中心部側へ燃料を噴射している。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２９４２０８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧縮行程にて燃料噴射を行う成層運転モードに対し、吸気行程にて燃料噴射を行う均質運転モードでは、吸気弁がリフトしているため、噴射された燃料の一部が吸気弁と干渉することで、筒内での混合気形成を阻害する結果、機関の冷機・暖機状態に関わらず、筒内に液状燃料が多く存在するようになり、機関から排出される未燃燃料（ＨＣ）が多くなるという問題点があった。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、吸気行程噴射時に吸気弁と干渉する燃料噴霧を減らして、未燃燃料の排出量を低減することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明は、片方の吸気弁を閉弁状態で停止可能な可変動弁装置を用い、吸気行程にて燃料噴射を行う運転モードの時に、片方の吸気弁を閉弁状態で停止させる片弁停止を行う構成とする。
【０００７】
また、吸気通路にて通路断面積の一部を開閉するエアモーションバルブを備え、該エアモーションバルブを閉じた場合には筒内のタンブル流動が強化され、機関の冷機時は、前記片弁停止を行う時に、エアモーションバルブを閉じ、機関の暖機後は、前記片弁停止を行う時に、エアモーションバルブを開く構成とする。
【０００８】
【発明の効果】
本発明によれば、吸気行程噴射時に、機関の冷機・暖機状態に関わらず、片弁停止を行うことで、その片方の吸気弁には燃料噴霧が干渉しないため、燃料噴霧が干渉する吸気弁が１つとなり、吸気弁と干渉する燃料噴霧を約１／２にすることができるので、未燃燃料の排出量を大幅に低減可能となる。
【０００９】
また、機関の冷機時は、片弁停止を行う時に、エアモーションバルブを閉じることにより、開弁動作中の吸気弁から筒内に流入するガス流動を強化し、これにより燃料噴霧を片弁停止中の吸気弁の側に偏向させて、燃料噴霧と開弁動作中の吸気弁との干渉も防止でき、未燃燃料の排出量を更に大幅に低減可能となる。
【００１０】
その一方、機関の暖機後は、吸気弁温度が高く、気化性が良好なため、開弁動作中の吸気弁に燃料噴霧が付着しても、ある程度は気化させることができるので、片弁停止を行う時に、エアモーションバルブを開くことにより、開弁動作中の吸気弁から筒内に流入するガス流動を弱めて、燃料噴霧の偏向を抑え、燃料噴霧の偏向により多少なりとも犠牲にしていたミキシングの改善を図って、燃焼性能向上による未燃燃料の排出量低減を図る。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す内燃機関の平面レイアウト図、図２は同上内燃機関の要部断面図及びそのＡ矢視図ある。
【００１２】
内燃機関の燃焼室１には、その上面（シリンダヘッド）側の略中央部に点火プラグ２が配置されている。そして、点火プラグ２を囲むように、２本ずつ吸気ポート３Ａ、３Ｂ及び排気ポート４Ａ、４Ｂが開口し、それぞれに吸気弁５Ａ、５Ｂ及び排気弁６Ａ、６Ｂが装着されている。
【００１３】
燃料噴射弁７は、燃焼室１の吸気弁５Ａ、５Ｂ側の側部に斜め下向きに（シリンダ軸に対して垂直な平面に対して所定角度θだけ傾斜して）配置され、２つの吸気弁５Ａ、５Ｂの間を経由し燃焼室１中心部側へ燃料を噴射するようになっている。
【００１４】
また、吸気ポート３Ａ、３Ｂは、仕切板８により上下の分割ポートに分割されており、下側の分割ポートの上流側に、これを閉止可能で、閉止時に筒内流動を強化可能なエアモーションバルブ９が設けられている。本実施形態では、特にタンブル流動を強化するようになっているので、エアモーションバルブ９を、タンブル制御弁（ＴＣＶ）９と称する。
【００１５】
この内燃機関での運転モードには、成層運転モードと均質運転モードとがあり、成層運転モードでは、圧縮行程にて燃料噴射を行い、点火プラグ２の周囲に成層化された混合気塊を形成することで、全体としては極めてリーンな空燃比で成層燃焼を行わせる。これに対し、均質運転モードでは、吸気行程にて燃料噴射を行い、燃焼室１の全体に均質な混合気を形成することで、ストイキ又はリーン空燃比での均質燃焼を行わせる。
【００１６】
ここで、圧縮行程噴射の場合は、吸気弁５Ａ、５Ｂは閉じているため、燃料噴霧と吸気弁５Ａ、５Ｂとの干渉は問題とならないが、吸気行程噴射の場合は、吸気弁５Ａ、５Ｂがリフトしているため、燃料噴霧と吸気弁５Ａ、５Ｂとの干渉が問題となる。
【００１７】
そこで、本発明では、吸気行程にて燃料噴射を行う運転モード（均質運転モード）の時に、図２に示すように、片方の吸気弁５Ａを閉弁状態（０リフト又は微小リフト）で停止させる片弁停止を行い、他方の吸気弁５Ｂのみの開閉動作により、機関を運転する。
【００１８】
これにより、吸気行程噴射時に、燃料噴霧は吸気弁５Ａとは干渉せず、吸気弁５Ｂのみと干渉し、吸気弁５Ｂのみに噴霧の付着が生じるようになる（図２参照）。従って、これだけで、燃料噴霧の干渉量（付着量）は単純に１／２となり、未燃燃料（ＨＣ）の排出量を大幅に低減することができる。
【００１９】
但し、片弁停止を行うと、吸入可能な最大空気量が制約されるので、片弁停止は、必要空気量が比較的少ない低回転・低負荷領域のときに行う（図３参照）。
また、片弁停止だけでは、開弁動作する吸気弁５Ｂへの噴霧の付着を生じるが、片弁停止時に、タンブル制御弁９を閉じることで、図４に示すように、開弁動作中の吸気弁５Ｂから筒内に流入するガス流動を強化することができ、このガス流動により、燃料噴射弁７からの燃料噴霧が、片弁停止中の吸気弁５Ａの側に偏向される。これにより、燃料のミキシングは多少犠牲になるものの、両吸気弁５Ａ、５Ｂへの燃料噴霧の干渉（付着）を防止して、未燃燃料（ＨＣ）の排出量を更に大幅に低減することができる。
【００２０】
但し、機関の冷機時と暖機後とを比較すると、暖機後は、吸気弁温度が高く、気化性が良好なため、燃料噴射弁７からの燃料噴霧が、開弁動作する吸気弁５Ｂに付着しても、ある程度は気化させることができるので、暖機後は、片弁停止を行う時に、タンブル制御弁９を開いて、開弁動作中の吸気弁５Ｂから筒内に流入するガス流動を弱くすることで、燃料噴射弁７からの燃料噴霧が偏向するのを防止する。すなわち、暖機後は、片弁停止だけで燃料噴霧の干渉量（付着量）を抑制し、燃料噴霧の偏向により犠牲にしていたミキシングを改善し、より均質な混合気形成を図ることで、燃焼性能の向上による未燃燃料（ＨＣ）の排出量低減を図るのである。
【００２１】
また、暖機後にタンブル制御弁９を開くと、開弁動作する吸気弁５Ｂの弁傘部全体に空気流を吹き付けることができ、空気流が当たらない部分に燃料が残るのを防止できるという効果も得られる。
【００２２】
上記の制御を実現するため、吸気弁５Ａ、５Ｂ（少なくとも片方の吸気弁５Ａ）は、可変動弁装置（図５中の１０）により、閉弁状態で停止可能としてある。この場合の可変動弁装置としては、カム駆動式で油圧によりカムを切換えることで０リフト（又は微小リフト）を得ることができるもの、偏心カムを用い油圧によりリフト量を任意に変化させることができるもの、あるいは、電磁駆動式で任意のリフト特性を得ることができるものを用いることができる。
【００２３】
図５は制御系の構成図であり、点火プラグ２、燃料噴射弁７、タンブル制御弁（ＴＣＶ）９などと共に、可変動弁装置１０の作動を制御するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１１に、エンジン回転数Ｎを検出可能な回転数センサ１２、負荷（例えばアクセル開度）Ｌを検出可能な負荷センサ１３、エンジン冷却水温Ｔｗを検出可能な水温センサ１４の信号を入力してある。
【００２４】
図６はＥＣＵ１１にて実行される制御フローであり、均質運転モードにて片弁停止制御及びＴＣＶ制御のために実行される。
Ｓ１では、各種センサより、エンジン回転数Ｎ、負荷Ｌ、水温Ｔｗなどを読込む。
【００２５】
Ｓ２では、水温Ｔｗを所定値と比較することで、冷機時（Ｔｗ≦所定値）か、暖機後（Ｔｗ＞所定値）かを判別する。
冷機時（Ｔｗ≦所定値）の場合は、Ｓ３へ進み、片弁停止領域を決定するエンジン回転数及び負荷のしきい値Ｎｓ、Ｌｓを、基準値Ｎ１、Ｌ１に設定する。ここで定められるＮ１以下、Ｌ１以下の領域は、片弁停止状態において吸入可能な最大空気量内で運転可能な領域（の一部）である。
【００２６】
暖機後（Ｔｗ＞所定値）の場合は、Ｓ４へ進み、片弁停止領域を決定するエンジン回転数及び負荷のしきい値Ｎｓ、Ｌｓを、前記基準値Ｎ１、Ｌ１より大きいＮ２、Ｌ２に設定する。当然に、Ｎ２＞Ｎ１、Ｌ２＞Ｌ１である。暖機後は、冷機時に対し、片弁停止領域を、より高回転・高負荷側の領域に拡大するためである。ここで定められるＮ２以下、Ｌ２以下の領域は、片弁停止状態において吸入可能な最大空気量内で運転可能な領域をほぼ全て含む領域である。
【００２７】
Ｓ５では、エンジン回転数Ｎがしきい値Ｎｓ以下で、かつ負荷Ｌがしきい値Ｌｓ以下の低回転・低負荷領域か否かを判定する。
低回転・低負荷領域でない場合は、Ｓ６へ進む。
【００２８】
Ｓ６では、片弁停止を行わず、通常運転（両弁運転）を行う。尚、通常運転時のタンブル制御弁（ＴＣＶ）の制御はエンジン性能の要求により決める。
低回転・低負荷領域の場合は、Ｓ７へ進む。
【００２９】
Ｓ７では、片弁停止を行う条件であるため、片弁停止を行う。燃料噴霧と吸気弁との干渉を抑制して、ＨＣ排出量を低減するためである。
Ｓ７にて片弁停止を行う場合は、Ｓ８以降で片弁停止状態に見合ったタンブル制御弁（ＴＣＶ）の制御を行う。
【００３０】
Ｓ８では、Ｓ２と同様、冷機時（Ｔｗ≦所定値）か、暖機後（Ｔｗ＞所定値）かを判別する。もちろん、Ｓ２での判別結果を記憶保持しておいて、それに従えばよい。
【００３１】
冷機時の場合は、Ｓ９へ進み、タンブル制御弁（ＴＣＶ）を閉じる。詳しくは、タンブル制御弁が閉じているか否かを判定し、閉じていない場合にタンブル制御弁を閉じる。冷機時は、燃料噴霧の付着防止を重視し、開弁動作中の吸気弁から筒内に流入するガス流動を強化し、これにより燃料噴霧を片弁停止中の吸気弁の側に偏向させて、燃料噴霧と開弁動作中の吸気弁との干渉を防止するためである。
【００３２】
暖機後の場合は、Ｓ１０へ進み、タンブル制御弁（ＴＣＶ）を開く。詳しくは、タンブル制御弁が開いているか否かを判定し、開いていない場合にタンブル制御弁を開く。暖機後は、ミキシングの改善を重視し、開弁動作中の吸気弁から筒内に流入するガス流動を弱めて、燃料噴霧の偏向を抑えるためであり、また、開弁動作している吸気弁の弁傘部全体に空気流を吹き付けるためでもある。
【００３３】
本実施形態では、機関の暖機後は、冷機時に対し、片弁停止を行う領域を、より高回転・高負荷側の領域に拡大しているが、これは、暖機後は、冷機時と比較して、ミキシングが良好であるため、燃料噴霧と吸気弁との干渉（付着）低減を行う領域を拡大し、言い換えれば、片弁停止状態で吸入できる最大空気量内で運転可能な均質運転領域のすべてを片弁停止領域として、ＨＣ低減を図るためである。
【００３４】
尚、図７には、制御例として、始動→ファーストアイドル→冷機時／低回転・低負荷運転→冷機時／高回転・高負荷運転→暖機後／低回転・低負荷運転→暖機後／高回転・高負荷運転と経過した場合の、片弁停止制御及びＴＣＶ制御の様子を示している。尚、この例では油圧式の可変動弁装置を用いることを前提としているため、始動後（油圧上昇後）より片弁停止を開始しているが、電磁式の可変動弁装置であれば、片弁停止を即開始可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態を示す内燃機関の平面レイアウト図
【図２】 同上内燃機関の要部断面図及びそのＡ矢視図
【図３】 均質運転モードでの領域別の設定を示す図
【図４】 燃料噴霧偏向についての説明図
【図５】 制御系の構成図
【図６】 制御フローチャート
【図７】 制御タイムチャート
【符号の説明】
１ 燃焼室
２ 点火プラグ
３Ａ、３Ｂ 吸気ポート
４Ａ、４Ｂ 排気ポート
５Ａ、５Ｂ 吸気弁
６Ａ、６Ｂ 排気弁
７ 燃料噴射弁
８ 仕切板
９ タンブル制御弁（ＴＣＶ）
１０ 可変動弁装置
１１ エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
１２ 回転数センサ
１３ 負荷センサ
１４ 水温センサ

Claims (5)

1. 燃焼室の側部に配置される燃料噴射弁から２つの吸気弁の間を経由し燃焼室中心部側へ燃料を噴射する直噴火花点火式内燃機関において、
   片方の吸気弁を閉弁状態で停止可能な可変動弁装置を備え、吸気行程にて燃料噴射を行う運転モードの時に、片方の吸気弁を閉弁状態で停止させる片弁停止を行う一方、
   機関の冷機・暖機状態を判別する手段を備えると共に、吸気通路に通路断面積の一部を開閉するエアモーションバルブを備え、該エアモーションバルブを閉じた場合には筒内のタンブル流動が強化され、機関の冷機時は、前記片弁停止を行う時に、エアモーションバルブを閉じ、機関の暖機後は、前記片弁停止を行う時に、エアモーションバルブを開くことを特徴とする直噴火花点火式内燃機関。
2. 前記エアモーションバルブを閉じた場合の強化されたタンブル流動は、開弁作動中の吸気弁について、前記燃料噴射弁からの燃料噴霧が相対的に多く付着する吸気弁の半面に対して、相対的に強く作用することを特徴とする請求項１記載の直噴火花点火式内燃機関。
3. 前記片弁停止は、所定の低回転・低負荷領域の時にのみ行うことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の直噴火花点火式内燃機関。
4. 前記片弁停止を行う領域は、前記片弁停止状態で吸入できる最大空気量内で運転可能な領域であることを特徴とする請求項３記載の直噴火花点火式内燃機関。
5. 機関の暖機後は、冷機時に対し、前記片弁停止を行う領域を、より高回転・高負荷側の領域に拡大することを特徴とする請求項３又は請求項４記載の直噴火花点火式内燃機関。

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