JP4124027B2 - In-cylinder direct injection CNG engine fuel injection control method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧縮天然ガス(CNG:Compressed Natural Gas)を筒内に直接噴射し、エンジンの運転条件に応じて成層燃焼と均質燃焼とを切り替え可能な筒内直噴CNGエンジンおよびその燃料噴射制御方法に関し、さらに詳しくは、均質燃焼と成層燃焼とを両立させることができる筒内直噴CNGエンジンの燃料噴射制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、エネルギー対策や環境対策等の観点から、自動車用内燃機関の燃料として圧縮天然ガス(CNG)を利用するとともに、その燃費の向上や出力向上を図るべく、筒内にCNG燃料を燃料噴射弁によって直接噴射し、リーンバーン運転領域を有する筒内直噴CNGエンジン(以下、適宜CNGエンジンと記す)の開発が盛んに行われており、種々の技術が提案されている。たとえば、燃焼室内に1つのインジェクタを備えた筒内直噴CNGエンジンが開示されている(特許文献1参照)。
【0003】
図5は、このような1つのインジェクタを備えた従来の筒内直噴CNGエンジンの概略構成を示す断面図であり、燃焼室内の混合気の様子を模式的に示したものである。図5に示すように、CNGエンジン10の燃焼室10aは、シリンダボア11とシリンダヘッド13とシリンダボア11内に往復動自在に配設されたピストン12とによって構成されている。また、ピストン12の頂面の吸気側部分には、成層燃焼を成立させるために凹状のキャビティ12aが形成されている。
【0004】
この燃焼室10aのほぼ中央には、点火プラグ14が配設されている。また、燃焼室10aを臨む吸気ポート15には吸気弁16が配設され、燃焼室10aを臨む排気ポート18には排気弁20が配設されている。また、燃焼室10aの吸気弁16近傍には、CNG燃料を燃焼室10aに直接噴射するインジェクタ30が配設されている。
【0005】
このインジェクタ30は、キャビティ12a内に燃料噴霧が噴射されるように、その噴霧形状および噴霧角が設定されている。インジェクタ30から噴射された燃料噴霧は、キャビティ12aに入り、当該キャビティ12aの底壁に衝突した後、この底壁に沿って点火プラグ14方向に流れながら、混合気が形成される。
【0006】
【特許文献1】
特開2000−328997号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、気体であるCNG燃料を噴射するインジェクタ30は、発熱量換算で液体燃料並みの噴射率を確保することは困難であり、噴射期間が液体燃料の場合よりも長くなる。特に、燃料噴射量の多い均質燃焼領域(最大負荷時であるWOT近傍)では、気体燃料であるために多大な噴射時間を要する。
【0008】
したがって、図5に示すように、噴射期間の後半に噴射された燃料噴霧は、キャビティ12a付近に留まりリッチな層27となる。一方、噴射期間の前半に噴射された燃料噴霧は過拡散な層28となり、これらの層27,28の間に均質な層29が形成されるので、全体として不均質な混合気となり、燃焼面および性能面において劣るという課題があった。
【0010】
この発明は、均質燃焼と成層燃焼とを両立させることができる筒内直噴CNGエンジンの燃料噴射制御方法を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、第1の発明に係る筒内直噴CNGエンジンの燃料噴射制御方法は、燃焼室のほぼ中央に配設された点火プラグと、前記燃焼室内にCNG燃料を噴射する成層燃焼用インジェクタおよび均質燃焼用インジェクタと、ピストン頂面に凹状に形成された成層燃焼用のキャビティと、を備え、前記成層燃焼用インジェクタは、前記キャビティ内にCNG燃料が噴射されるようにその噴霧形状および噴霧角が設定され、前記均質燃焼用インジェクタは、当該均質燃焼用インジェクタから噴射された燃料噴霧が前記キャビティ内に直接入らないように設定されて前記燃焼室内に配設され、エンジンの運転条件に応じて成層燃焼と均質燃焼とを切り替える筒内直噴CNGエンジンの燃料噴射制御方法であって、成層燃焼時は、前記成層燃焼用インジェクタのみで通常の成層燃焼制御を実施し、均質燃焼時は、現時点の噴射量が所定噴射量以下である場合には、前記均質燃焼用インジェクタのみで通常の均質燃焼制御を実施し、現時点の噴射量が前記所定噴射量を超える場合には、前記均質燃焼用インジェクタによって圧縮行程かつ噴射終了までの期間が十分確保できるほぼ最大噴射時間で噴射するとともに、不足する噴射量を算出して前記成層燃焼用インジェクタによって当該不足噴射量を圧縮行程の早期に噴射することを特徴とするものである。
また、第2の発明に係る筒内直噴CNGエンジンの燃料噴射制御方法は、燃焼室のほぼ中央に配設された点火プラグと、前記燃焼室内にCNG燃料を噴射する成層燃焼用インジェクタおよび均質燃焼用インジェクタと、ピストン頂面に凹状に形成された成層燃焼用のキャビティと、を備え、前記成層燃焼用インジェクタは、前記キャビティ内にCNG燃料が噴射されるようにその噴霧形状および噴霧角が設定され、前記均質燃焼用インジェクタは、当該均質燃焼用インジェクタから噴射された燃料噴霧が前記キャビティ内に直接入らないように設定されて前記燃焼室内に配設され、前記成層燃焼用インジェクタおよび前記均質燃焼用インジェクタは、ともに最小噴射量が確保され、エンジンの運転条件に応じて成層燃焼と均質燃焼とを切り替える筒内直噴CNGエンジンの燃料噴射制御方法であって、前記成層燃焼用インジェクタおよび前記均質燃焼用インジェクタの故障の有無を判定し、いずれか一方のインジェクタが故障している場合には、故障していないインジェクタのみによって燃料噴射制御を行い、前記両方のインジェクタが故障していない場合には、成層燃焼領域か否かを判定し、成層燃焼領域である場合には、前記成層燃焼用インジェクタのみによって成層燃焼噴射制御を行い、均質燃焼領域である場合には、さらに現時点の噴射量が所定噴射量以下であるか否かを判定し、前記所定噴射量以下である場合には、前記均質燃焼用インジェクタのみによって均質燃焼噴射制御を行い、前記所定噴射量を越える場合には、前記両方のインジェクタによって均質燃焼噴射制御を行うことを特徴とするものである。
【0012】
この発明の制御動作は、次のとおりである。すなわち、運転領域が成層燃焼領域である場合には、成層燃焼用インジェクタのみで燃料噴射し、通常の成層燃焼制御を行う。均質燃焼領域である場合には、現時点の燃料噴射量が所定噴射量以下であるか否かを判断する。この所定噴射量とは、均質燃焼用インジェクタの噴射率から単独で圧縮行程噴射が可能な噴射量であり、予め実験的に求められている。
【0013】
現時点の燃料噴射量が上記所定噴射量以下である場合には、均質燃焼用インジェクタのみで最適燃料噴射および最適点火を行う。この均質燃焼用インジェクタによる燃料噴射は、圧縮行程内で完了させ、噴射完了から点火までの時間を十分確保することで、混合気の均質性を向上させることができる。
【0014】
また、均質燃焼用インジェクタから噴射された燃料噴霧は、キャビティに直接入らないので当該キャビティの影響を受けず、点火プラグ付近へのリッチな混合気の集中もない。したがって、噴射終了から点火までの期間を、成層燃焼用インジェクタの単独噴射の場合よりも短くでき、均質性が向上する。
【0015】
一方、現時点の燃料噴射量が上記所定噴射量を越える場合は、成層燃焼用インジェクタおよび均質燃焼用インジェクタの両方で最適燃料噴射を行い、最適点火を行う。両方のインジェクタが同時に燃料噴射する期間においては、気体燃料であるCNG燃料の同時噴射は、ガソリン等の液体燃料に比べて噴射速度が速いので、燃焼室内に噴流による大きな乱れを起こすことができ、さらに均質性の向上を図ることができる。
【0016】
このように、成層燃焼用インジェクタと均質燃焼用インジェクタによる最適な噴射制御によって、燃焼室内に均質な混合気を形成することができ、これに最適点火することにより、良好な均質燃焼を得ることができる。
【0017】
なお、以上の各制御は、エンジンの停止(イグニションスイッチのオフ)まで実行される。
【0018】
したがって、第1および第2の発明によれば、エンジンの運転状況に応じた前記両インジェクタによる最適な噴射制御によって、均質燃焼と成層燃焼とを両立させることができる。
また、第1の発明によれば、さらに、均質燃焼時における均質燃焼用インジェクタのダイナミックレンジ不足を補うことができ、空気流入を妨げないように燃料噴射できる。また、圧縮行程の早期噴射により、キャビティの悪影響(点火プラグ付近へのリッチな混合気の集中)による混合気の均質性低下も抑制することができる。
また、第2の発明によれば、さらに、アイドル時等に要求される最小燃料噴射時において噴射量が過多となるのを防止でき、最適な燃料噴射を実現することができる。
また、第2の発明によれば、さらに、いずれか一方のインジェクタが故障している場合には、故障していない他方のインジェクタで燃料噴射することによってエンジンシステムとしての最低限の動作を保証できるとともに、両方のインジェクタが故障していない場合には、エンジンの運転状況に応じて前記インジェクタを使い分けることで最適な噴射制御を行うことができ、均質燃焼と成層燃焼とを両立させることができる。
【0019】
また、第3の発明に係る筒内直噴CNGエンジンは、前記第1または第2の発明に係る筒内直噴CNGエンジンにおいて、前記成層燃焼用インジェクタおよび前記キャビティは、前記燃焼室内の吸気側に配設される一方、前記均質燃焼用インジェクタは、前記燃焼室内の排気側または中央側に配設されていることを特徴とするものである。
【0020】
したがって、この発明によれば、エンジンに要求される燃焼性能や出力等に応じて、前記両インジェクタの配置の組み合わせを任意に選択でき、設計の自由度を高めることができる。
【0021】
また、第4の発明に係る筒内直噴CNGエンジンは、前記第1〜第3の発明のいずれか一つに係る筒内直噴CNGエンジンにおいて、前記成層燃焼用インジェクタは、単独で成層燃焼可能なように噴射率が設定される一方、前記均質燃焼用インジェクタは、その燃料噴霧が前記ピストンの位置にかかわらず前記キャビティ内に直接入らないように噴霧角および噴射孔の向きが設定され、さらに前記両インジェクタは、最大噴射かつ最大回転時でも圧縮行程内での燃料噴射が可能なように噴射率が設定されていることを特徴とするものである。
【0022】
したがって、この発明によれば、成層燃焼用インジェクタ単独で成層燃焼に対応できる一方、均質燃焼用インジェクタはピストンの位置に影響されずに安定した燃料噴射ができ、さらにこれら両インジェクタは最大噴射かつ最大回転時でも圧縮行程で確実な燃料噴射ができる。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る筒内直噴CNGエンジンの燃料噴射制御方法の実施の形態につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【0030】
図1は、この発明の実施の形態に係るCNGエンジンの概略構成を示す断面図であり、成層燃焼用インジェクタおよび均質燃焼用インジェクタの両方で燃料噴射している様子を模式的に示したものである。なお、以下の説明において、すでに説明した部材と同一もしくは相当する部材には、同一の符号を付して重複説明を省略または簡略化する。
【0031】
図1に示すように、CNGエンジン10は、後述する成層燃焼用インジェクタ23および均質燃焼用インジェクタ25によってCNG燃料を燃焼室10aに直接噴射する直噴式であり、通常の直噴式のガソリンエンジンの構成とほぼ同様に構成され、エンジンの運転条件に応じて成層燃焼と均質燃焼とを切り替え可能に構成されている。
【0032】
また、燃焼室10aの吸気弁16近傍には、CNG燃料を燃焼室10aに直接噴射する成層燃焼用インジェクタ23が配設されている。燃焼室10aの排気弁20近傍には、CNG燃料を燃焼室10aに直接噴射する均質燃焼用インジェクタ25が配設されている。
【0033】
成層燃焼用インジェクタ23は、キャビティ12a内に燃料噴霧23aが噴射されるように、その噴霧形状および噴霧角が設定されている。また、この成層燃焼用インジェクタ23は、単独でも成層燃焼可能なように噴射率が設定されている。
【0034】
なお、図1には、成層燃焼用インジェクタ23から噴射された燃料噴霧23aがキャビティ12aに入り、当該キャビティ12aの底壁に衝突した後、この底壁に沿って点火プラグ14方向に流れながら、混合気24が形成される過程を示してある。
【0035】
また、均質燃焼用インジェクタ25は、均質燃焼時に混合気の均質性を向上させるために設けたものであり、当該均質燃焼用インジェクタ25から噴射された燃料噴霧25aがキャビティ12a内に直接入らないように設定されている。
【0036】
さらに、均質燃焼用インジェクタ25は、その燃料噴霧25aがピストン12の位置にかかわらずキャビティ12a内に直接入らないように噴霧角および噴射孔の向き(シリンダボア11の軸線に垂直な平面に対しての角度θ)が設定されている。
【0037】
また、成層燃焼用インジェクタ23および均質燃焼用インジェクタ25は、それぞれ最大噴射かつ最大回転時でも圧縮行程内での燃料噴射が可能なように噴射率が設定されている。また、成層燃焼用インジェクタ23および均質燃焼用インジェクタ25は、それぞれ最小噴射量が確保されている。
【0038】
このように、上記両インジェクタ23,25は、ダイナミックレンジの広いものが用いられているとともに、仮にいずれか一方のインジェクタ23,25が故障したとしても、故障していない他方のインジェクタで燃料噴射することによって、エンジンシステムとしての最低限の動作を保証できるように構成されている。
【0039】
なお、上記CNGエンジン10、点火プラグ14、吸気弁16、排気弁20、成層燃焼用インジェクタ23、均質燃焼用インジェクタ25等は、各種センサ情報等に基づいて、図示しない電子制御ユニット(ECU)によって制御されている。
【0040】
次に、燃料噴射制御方法について図3に基づいて説明する。図3は、燃料噴射制御方法を示すフローチャートである。なお、説明の便宜上、成層燃焼用インジェクタ23および均質燃焼用インジェクタ25の両方から燃料噴射している様子を示した図1を適宜参照することとする。
【0041】
図3に示すように、先ず、CNGエンジン10を始動したら(ステップS10)、成層燃焼用インジェクタ23または均質燃焼用インジェクタ25のいずれかが故障しているか否かを判断する(ステップS11)。なお、この故障判断は、たとえば筒内圧力をモニターしておき、本来得られるべき筒内圧力が得られない場合に故障であると判断することができる。
【0042】
成層燃焼用インジェクタ23または均質燃焼用インジェクタ25のいずれかが故障している場合には(ステップS11肯定)、故障していないインジェクタのみを作動させ、要求される燃料噴射制御を行う(ステップS12)。また、上記インジェクタ23,25のいずれかが故障している旨を車両の運転者等に音声や表示等によって警告する。
【0043】
成層燃焼用インジェクタ23および均質燃焼用インジェクタ25の両方が正常であるならば(ステップS11否定)、運転領域が成層燃焼領域であるか否かを判断する(ステップS13)。成層燃焼領域である場合には(ステップS13肯定)、成層燃焼用インジェクタ23のみで燃料噴射し、通常の成層燃焼制御を行う(ステップS14)。
【0044】
一方、成層燃焼領域でない場合、すなわち均質燃焼領域である場合には(ステップS13否定)、現時点の燃料噴射量が所定値(所定噴射量)以下であるか否かを判断する(ステップS15)。この所定値とは、均質燃焼用インジェクタ25の噴射率から単独で圧縮行程噴射が可能な噴射量であり、予め実験的に求められている。
【0045】
現時点の燃料噴射量が上記所定値以下である場合には(ステップS15肯定)、均質燃焼用インジェクタ25のみで最適燃料噴射および最適点火を行う(ステップS16)。この均質燃焼用インジェクタ25による燃料噴射は、圧縮行程内で完了させ、噴射完了から点火までの時間を十分確保することで、混合気の均質性を向上させることができる。
【0046】
また、均質燃焼用インジェクタ25から噴射された燃料噴霧25aは、キャビティ12aに直接入らないように噴霧角および噴射孔の向き(角度θ)が設定されており(図1参照)、当該キャビティ12aの影響を受けないので、点火プラグ14付近へのリッチな混合気の集中もなく、噴射終了から点火までの期間を、成層燃焼用インジェクタ23の単独噴射の場合よりも短くでき、混合気の均質性が向上する。
【0047】
ガソリン等の液体燃料では、均質燃焼用インジェクタ25をこのような噴射孔の向き(角度θ)で設定すると、その燃料噴霧がシリンダボア11を直撃し、オイル希釈等が生じて混合気の均質性が成立しないが、CNG燃料の場合には常時気体であるので、オイル希釈等の問題は生じず、何ら問題なく混合気の均質性が成立する。
【0048】
一方、現時点の燃料噴射量が上記所定値を越える場合は(ステップS15否定)、図1に示すように、成層燃焼用インジェクタ23および均質燃焼用インジェクタ25の両方で最適燃料噴射を行い、最適点火を行う(ステップS17)。
【0049】
なお、上記両インジェクタ23,25は、それぞれダイナミックレンジの広いものが用いられており、最大噴射かつ最大回転時でも圧縮行程内での燃料噴射が可能なように噴射率が設定され、最小噴射量が確保されているものとして説明したが、このようなダイナミックレンジの広いものを使用せず、ダイナミックレンジの狭いものを使用する場合には、上記ステップS17においては、次のような制御を行うことによって、当該ダイナミックレンジ不足を補うことができる。
【0050】
すなわち、均質燃焼用インジェクタ25は、圧縮行程かつ噴射終了までの期間が十分確保できるほぼ最大噴射時間で噴射するとともに、不足する噴射量を算出して成層燃焼用インジェクタ23によって当該不足噴射量を圧縮行程の早期に噴射する。つまり、吸気弁16の閉じるタイミングや脈動等を考慮して、燃料噴射が空気流入を妨げない時期に噴射する。
【0051】
このように、成層燃焼用インジェクタ23での均質燃焼時における燃料噴射量を最小限にし、かつ噴射開始を最も早期にすることで、キャビティ12aの悪影響(点火プラグ14付近へのリッチな混合気の集中)による混合気の均質性低下を抑制することができる。
【0052】
ところで、上記制御では、図1に示すように、基本的に両方のインジェクタ23,25が同時に噴射する期間が存在する。気体燃料であるCNG燃料の同時噴射は、ガソリン等の液体燃料に比べて噴射速度が速いので、燃焼室10a内に噴流による大きな乱れを起こすことができ、さらに均質性の向上を図ることができる。
【0053】
したがって、上述したような両方のインジェクタ23,25による最適な噴射制御によって、図2に示すように、燃焼室10a内に均質な混合気26を形成することができ、これに最適点火することにより、良好な均質燃焼を得ることができる。ここで、図2は、成層燃焼用インジェクタ23および均質燃焼用インジェクタ25による最適な噴射制御によって燃焼室10a内に得られた均質な混合気の様子を示す断面図である。
【0054】
なお、以上の各制御は、CNGエンジン10の停止(イグニションスイッチのオフ)まで実行される。
【0055】
以上のように、この実施の形態に係る筒内直噴CNGエンジン10およびその燃料噴射制御方法によれば、成層燃焼用インジェクタ23および均質燃焼用インジェクタ25を燃焼室10a内に配設し、これらのインジェクタ23,25による最適な噴射制御によって、均質燃焼と成層燃焼とを両立させることができる。
【0056】
なお、上記実施の形態においては、均質燃焼用インジェクタ25を燃焼室10aの排気弁20近傍に配設するものとして説明したが、これに限定されず、たとえば図4に示すように、燃焼室10aのほぼ中央の点火プラグ14の近傍に配設してもよい。この場合も、均質燃焼用インジェクタ25の燃料噴霧25aがキャビティ12a内に入らないように、その噴射孔の向きや噴霧角が設定されており、上記実施の形態の場合と同様の効果を期待できる。ここで、図4は、均質燃焼用インジェクタ25を燃焼室10aのほぼ中央に配設した例を示す断面図である。
【0057】
【発明の効果】
以上説明したように、第1および第2の発明に係る筒内直噴CNGエンジンの燃料噴射制御方法によれば、エンジンの運転状況に応じた成層燃焼用インジェクタおよび均質燃焼用インジェクタによる最適な燃料噴射制御によって均質燃焼と成層燃焼とを両立させることができる。
また、第1の発明によれば、さらに、均質燃焼時における均質燃焼用インジェクタのダイナミックレンジ不足を補うことができ、空気流入を妨げないように燃料噴射できる。また、圧縮行程の早期噴射により、キャビティの悪影響(点火プラグ付近へのリッチな混合気の集中)による混合気の均質性低下も抑制することができる。
また、第2の発明によれば、さらに、アイドル時等に要求される最小燃料噴射時において噴射量が過多となるのを防止でき、最適な燃料噴射を実現することができる。
また、第2の発明によれば、さらに、成層燃焼用インジェクタまたは均質燃焼用インジェクタのいずれか一方が故障している場合には、故障していない他方のインジェクタで燃料噴射することによってエンジンシステムとしての最低限の動作を保証できるとともに、両方のインジェクタが故障していない場合には、エンジンの運転状況に応じて前記インジェクタを使い分けることで最適な燃料噴射制御を行うことができ、均質燃焼と成層燃焼とを両立させることができる。
【0058】
また、第3の発明に係る筒内直噴CNGエンジンによれば、エンジンに要求される燃焼性能や出力等に応じて、成層燃焼用インジェクタと均質燃焼用インジェクタの配置の組み合わせを任意に選択でき、設計の自由度を高めることができる。
【0059】
また、第4の発明に係る筒内直噴CNGエンジンによれば、成層燃焼用インジェクタ単独で成層燃焼に対応できる一方、均質燃焼用インジェクタはピストンの位置に影響されずに安定した燃料噴射ができ、さらにこれら両インジェクタは最大噴射かつ最大回転時でも圧縮行程で確実な燃料噴射ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態に係るCNGエンジンの概略構成を示す断面図である。
【図2】成層燃焼用インジェクタおよび均質燃焼用インジェクタによる最適な噴射制御によって燃焼室内に得られた均質な混合気の様子を示す断面図である。
【図3】燃料噴射制御方法を示すフローチャートである。
【図4】均質燃焼用インジェクタを燃焼室のほぼ中央に配設した例を示す断面図である。
【図5】従来の筒内直噴CNGエンジンの概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
θ 角度
10 CNGエンジン
10a 燃焼室
11 シリンダボア
12 ピストン
12a キャビティ
13 シリンダヘッド
14 点火プラグ
15 吸気ポート
16 吸気弁
18 排気ポート
20 排気弁
23 成層燃焼用インジェクタ
23a 燃料噴霧
24 混合気
25a 燃料噴霧
25 均質燃焼用インジェクタ
26 混合気[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention directly injects a compressed natural gas (CNG) into a cylinder and switches between stratified combustion and homogeneous combustion in accordance with the operating conditions of the engine, and a fuel injection control thereof. More specifically, the present invention relates to a fuel injection control method for an in-cylinder direct injection CNG engine that can achieve both homogeneous combustion and stratified combustion.
[0002]
[Prior art]
In recent years, from the viewpoints of energy and environmental measures, compressed natural gas (CNG) has been used as a fuel for automobile internal combustion engines, and CNG fuel has been injected into the cylinder to improve fuel efficiency and output. In-cylinder direct injection CNG engines (hereinafter referred to as CNG engines as appropriate) having a lean burn operation region are being actively developed, and various techniques have been proposed. For example, an in-cylinder direct injection CNG engine having one injector in a combustion chamber is disclosed (see Patent Document 1).
[0003]
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a conventional in-cylinder direct injection CNG engine provided with such one injector, and schematically shows the state of air-fuel mixture in the combustion chamber. As shown in FIG. 5, the
[0004]
A
[0005]
The
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-328997
[Problems to be solved by the invention]
However, it is difficult for the
[0008]
Therefore, as shown in FIG. 5, the fuel spray injected in the second half of the injection period remains in the vicinity of the
[0010]
This invention aims to provide a fuel injection control method for a cylinder direct injection CNG engine that can achieve both homogeneous combustion and stratified charge combustion.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
Injection in order to achieve the above object, a fuel injection control method for a cylinder direct injection CNG engine according to the first invention, a spark plug disposed substantially at the center of the combustion chamber, the CNG fuel into the combustion chamber Stratified combustion injectors and homogeneous combustion injectors, and a stratified combustion cavity formed in a concave shape on the top surface of the piston, and the stratified combustion injector is configured to inject CNG fuel into the cavity. its spray shape and the spray angle is set, the homogeneous combustion injector, the disposed in the combustion chamber the fuel spray injected from the homogeneous combustion injector is set so as not enter directly into the cavity, the engine A fuel injection control method for an in-cylinder direct injection CNG engine that switches between stratified combustion and homogeneous combustion in accordance with the operating conditions of Normal stratified charge combustion control is performed using only the stratified charge injector, and during homogeneous combustion, if the current injection quantity is less than or equal to the predetermined injection quantity, normal homogeneous combustion control is performed using only the homogeneous combustion injector. If the current injection amount exceeds the predetermined injection amount, the injection is performed with a substantially maximum injection time that can ensure a sufficient time until the compression stroke and the injection end by the homogeneous combustion injector, and the insufficient injection amount is calculated. Then, the insufficient injection amount is injected at an early stage of the compression stroke by the stratified combustion injector .
Further, a fuel injection control method for a direct injection CNG engine according to a second aspect of the present invention includes a spark plug disposed substantially at the center of a combustion chamber, a stratified combustion injector for injecting CNG fuel into the combustion chamber, and a homogeneous A stratified combustion cavity formed in a concave shape on the piston top surface, and the stratified combustion injector has a spray shape and a spray angle such that CNG fuel is injected into the cavity. The homogeneous combustion injector is disposed in the combustion chamber so that the fuel spray injected from the homogeneous combustion injector does not directly enter the cavity, and the stratified combustion injector and the homogeneous injector Both combustion injectors ensure a minimum injection quantity, and switch between stratified combustion and homogeneous combustion according to engine operating conditions. In-cylinder direct injection CNG engine fuel injection control method for determining whether or not the stratified combustion injector and the homogeneous combustion injector have failed, and if any one of the injectors has failed, The fuel injection control is performed only with the non-injected injector, and when both of the injectors are not malfunctioning, it is determined whether or not the stratified combustion region, and if it is the stratified combustion region, only the stratified combustion injector Stratified combustion injection control is performed, and if the region is in a homogeneous combustion region, it is further determined whether or not the current injection amount is less than or equal to a predetermined injection amount, and if it is less than or equal to the predetermined injection amount, the homogeneous combustion The homogeneous combustion injection control is performed only by the injector, and when the predetermined injection amount is exceeded, the homogeneous combustion injection control is performed by both the injectors. It is characterized in that to perform.
[0012]
The control operation of the present invention is as follows. That is, when the operation region is the stratified combustion region, fuel is injected only by the stratified combustion injector, and normal stratified combustion control is performed. In the homogeneous combustion region, it is determined whether or not the current fuel injection amount is equal to or less than a predetermined injection amount. The predetermined injection amount is an injection amount that allows the compression stroke injection independently from the injection rate of the homogeneous combustion injector, and is obtained experimentally in advance.
[0013]
When the current fuel injection amount is less than or equal to the predetermined injection amount, optimal fuel injection and optimal ignition are performed using only the homogeneous combustion injector. The fuel injection by the homogeneous combustion injector is completed within the compression stroke, and sufficient time from the completion of injection to ignition can be ensured to improve the homogeneity of the air-fuel mixture.
[0014]
Further, since the fuel spray injected from the homogeneous combustion injector does not directly enter the cavity, it is not affected by the cavity, and there is no concentration of rich air-fuel mixture near the spark plug. Therefore, the period from the end of injection to ignition can be made shorter than in the case of single injection of the stratified charge injector, and the homogeneity is improved.
[0015]
On the other hand, when the current fuel injection amount exceeds the predetermined injection amount, optimal fuel injection is performed by both the stratified combustion injector and the homogeneous combustion injector, and optimal ignition is performed. In the period in which both injectors inject fuel at the same time, simultaneous injection of CNG fuel, which is a gaseous fuel, has a higher injection speed than liquid fuel such as gasoline, so it can cause large turbulence due to the jet flow in the combustion chamber, Furthermore, the homogeneity can be improved.
[0016]
In this way, the optimal injection control by the stratified combustion injector and the homogeneous combustion injector can form a homogeneous air-fuel mixture in the combustion chamber, and it is possible to obtain good homogeneous combustion by optimally igniting this. it can.
[0017]
Each control described above is executed until the engine is stopped (ignition switch is turned off).
[0018]
Therefore, according to the 1st and 2nd invention, homogeneous combustion and stratified combustion can be made compatible by the optimal injection control by the both injectors according to the operating condition of the engine.
Further, according to the first aspect of the present invention, it is possible to make up for the dynamic range shortage of the homogeneous combustion injector at the time of homogeneous combustion, and to perform fuel injection so as not to prevent air inflow. Moreover, the early injection of the compression stroke can also suppress the deterioration of the homogeneity of the air-fuel mixture due to the bad influence of the cavity (rich air-fuel mixture concentration near the spark plug).
Further, according to the second aspect of the invention, it is possible to prevent the injection amount from becoming excessive at the time of the minimum fuel injection required at the time of idling or the like, and to realize optimal fuel injection.
Further, according to the second invention, when any one of the injectors fails, the minimum operation as the engine system can be ensured by injecting fuel with the other injector that does not fail. At the same time, when both injectors are not out of order, optimal injection control can be performed by properly using the injectors according to the operating conditions of the engine, and both homogeneous combustion and stratified combustion can be achieved.
[0019]
An in-cylinder direct injection CNG engine according to a third aspect of the present invention is the in-cylinder direct injection CNG engine according to the first or second aspect of the present invention, wherein the stratified combustion injector and the cavity are arranged on the intake side in the combustion chamber. On the other hand, the homogeneous combustion injector is arranged on the exhaust side or the center side in the combustion chamber.
[0020]
Therefore, according to the present invention, the combination of the arrangements of the two injectors can be arbitrarily selected according to the combustion performance and output required of the engine, and the degree of freedom in design can be increased.
[0021]
Further, the in-cylinder direct injection CNG engine according to the fourth invention is the in-cylinder direct injection CNG engine according to any one of the first to third inventions, wherein the stratified combustion injector is stratified combustion alone. While the injection rate is set as possible, the homogeneous combustion injector has its spray angle and injection hole orientation set so that its fuel spray does not enter the cavity directly regardless of the position of the piston, Further, both the injectors are characterized in that the injection rate is set so that the fuel can be injected within the compression stroke even at the maximum injection and maximum rotation.
[0022]
Therefore, according to the present invention, the stratified combustion injector alone can cope with stratified combustion, while the homogeneous combustion injector can perform stable fuel injection without being affected by the position of the piston. Even during rotation, reliable fuel injection can be performed in the compression stroke.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a fuel injection control method for an in-cylinder direct injection CNG engine according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
[0030]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a CNG engine according to an embodiment of the present invention, schematically showing a state in which fuel is injected by both a stratified combustion injector and a homogeneous combustion injector. is there. In the following description, members that are the same as or correspond to those already described are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted or simplified.
[0031]
As shown in FIG. 1, the
[0032]
Further, a
[0033]
The spray shape and spray angle of the stratified
[0034]
In FIG. 1, the
[0035]
The
[0036]
Further, the
[0037]
The
[0038]
As described above, both of the
[0039]
The
[0040]
Next, the fuel injection control method will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a flowchart showing a fuel injection control method. For convenience of explanation, FIG. 1 showing the state in which fuel is injected from both the
[0041]
As shown in FIG. 3, first, when the
[0042]
If either the
[0043]
If both the
[0044]
On the other hand, when it is not the stratified combustion region, that is, when it is the homogeneous combustion region (No at Step S13), it is determined whether or not the current fuel injection amount is a predetermined value (predetermined injection amount) or less (Step S15). The predetermined value is an injection amount that allows the compression stroke injection independently from the injection rate of the
[0045]
If the current fuel injection amount is equal to or less than the predetermined value (Yes at Step S15), optimum fuel injection and optimum ignition are performed only by the homogeneous combustion injector 25 (Step S16). The fuel injection by the
[0046]
Further, the spray angle and the direction of the injection hole (angle θ) are set so that the
[0047]
In the case of liquid fuel such as gasoline, when the
[0048]
On the other hand, if the current fuel injection amount exceeds the predetermined value (No at step S15), optimum fuel injection is performed by both the
[0049]
The
[0050]
In other words, the
[0051]
As described above, by minimizing the fuel injection amount at the time of homogeneous combustion in the stratified
[0052]
By the way, in the above control, as shown in FIG. 1, there is basically a period during which both
[0053]
Therefore, by the optimum injection control by both the
[0054]
Each control described above is executed until the
[0055]
As described above, according to the in-cylinder direct
[0056]
In the above embodiment, the
[0057]
【The invention's effect】
As described above, according to the fuel injection control method for the in-cylinder direct injection CNG engine according to the first and second inventions, the optimum fuel by the stratified combustion injector and the homogeneous combustion injector according to the operating state of the engine Homogeneous combustion and stratified combustion can be made compatible by injection control.
Further, according to the first aspect of the present invention, it is possible to make up for the dynamic range shortage of the homogeneous combustion injector at the time of homogeneous combustion, and to perform fuel injection so as not to prevent air inflow. Moreover, the early injection of the compression stroke can also suppress the deterioration of the homogeneity of the air-fuel mixture due to the bad influence of the cavity (rich air-fuel mixture concentration near the spark plug).
Further, according to the second aspect of the invention, it is possible to prevent the injection amount from becoming excessive at the time of the minimum fuel injection required at the time of idling or the like, and to realize optimal fuel injection.
Further, according to the second aspect of the present invention, when one of the stratified combustion injector or the homogeneous combustion injector fails, fuel injection is performed with the other non-failed injector as an engine system. When both injectors are not malfunctioning, optimal fuel injection control can be performed by properly using the injectors according to the operating conditions of the engine. Combustion can be achieved.
[0058]
Further, according to the in-cylinder direct injection CNG engine according to the third invention, the combination of the arrangement of the stratified combustion injector and the homogeneous combustion injector can be arbitrarily selected according to the combustion performance and output required for the engine. , Can increase the degree of design freedom.
[0059]
According to the in-cylinder direct injection CNG engine according to the fourth aspect of the invention, the stratified combustion injector alone can cope with stratified combustion, while the homogeneous combustion injector can stably inject fuel without being affected by the position of the piston. Furthermore, both of these injectors can perform the fuel injection reliably in the compression stroke even at the maximum injection and maximum rotation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a CNG engine according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state of a homogeneous air-fuel mixture obtained in a combustion chamber by optimal injection control by a stratified combustion injector and a homogeneous combustion injector.
FIG. 3 is a flowchart showing a fuel injection control method.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example in which a homogeneous combustion injector is disposed in the approximate center of a combustion chamber.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a conventional in-cylinder direct injection CNG engine.
[Explanation of symbols]
θ
Claims (4)
前記燃焼室内にCNG燃料を噴射する成層燃焼用インジェクタおよび均質燃焼用インジェクタと、
ピストン頂面に凹状に形成された成層燃焼用のキャビティと、
を備え、
前記成層燃焼用インジェクタは、前記キャビティ内にCNG燃料が噴射されるようにその噴霧形状および噴霧角が設定され、
前記均質燃焼用インジェクタは、当該均質燃焼用インジェクタから噴射された燃料噴霧が前記キャビティ内に直接入らないように設定されて前記燃焼室内に配設され、
エンジンの運転条件に応じて成層燃焼と均質燃焼とを切り替える筒内直噴CNGエンジンの燃料噴射制御方法であって、
成層燃焼時は、前記成層燃焼用インジェクタのみで通常の成層燃焼制御を実施し、
均質燃焼時は、現時点の噴射量が所定噴射量以下である場合には、前記均質燃焼用インジェクタのみで通常の均質燃焼制御を実施し、
現時点の噴射量が前記所定噴射量を超える場合には、前記均質燃焼用インジェクタによって圧縮行程かつ噴射終了までの期間が十分確保できるほぼ最大噴射時間で噴射するとともに、不足する噴射量を算出して前記成層燃焼用インジェクタによって当該不足噴射量を圧縮行程の早期に噴射することを特徴とする筒内直噴CNGエンジンの燃料噴射制御方法。 A spark plug disposed approximately in the center of the combustion chamber;
A stratified combustion injector and a homogeneous combustion injector for injecting CNG fuel into the combustion chamber;
A cavity for stratified combustion formed in a concave shape on the top surface of the piston;
With
The stratified combustion injector has its spray shape and spray angle set so that CNG fuel is injected into the cavity,
The homogeneous combustion injector is disposed in the combustion chamber so that the fuel spray injected from the homogeneous combustion injector does not directly enter the cavity .
A fuel injection control method for an in-cylinder direct injection CNG engine that switches between stratified combustion and homogeneous combustion according to engine operating conditions,
At the time of stratified charge combustion, normal stratified charge combustion control is carried out only with the stratified charge injector,
At the time of homogeneous combustion, if the current injection amount is less than or equal to the predetermined injection amount, normal homogeneous combustion control is performed only with the homogeneous combustion injector,
When the current injection amount exceeds the predetermined injection amount, the homogeneous combustion injector performs injection with a substantially maximum injection time that can sufficiently ensure a compression stroke and a period until the end of injection, and calculates an insufficient injection amount. A fuel injection control method for an in-cylinder direct injection CNG engine , wherein the short injection amount is injected at an early stage of a compression stroke by the stratified combustion injector .
前記燃焼室内にCNG燃料を噴射する成層燃焼用インジェクタおよび均質燃焼用インジェクタと、
ピストン頂面に凹状に形成された成層燃焼用のキャビティと、
を備え、
前記成層燃焼用インジェクタは、前記キャビティ内にCNG燃料が噴射されるようにその噴霧形状および噴霧角が設定され、
前記均質燃焼用インジェクタは、当該均質燃焼用インジェクタから噴射された燃料噴霧が前記キャビティ内に直接入らないように設定されて前記燃焼室内に配設され、
前記成層燃焼用インジェクタおよび前記均質燃焼用インジェクタは、ともに最小噴射量が確保され、
エンジンの運転条件に応じて成層燃焼と均質燃焼とを切り替える筒内直噴CNGエンジンの燃料噴射制御方法であって、
前記成層燃焼用インジェクタおよび前記均質燃焼用インジェクタの故障の有無を判定し、
いずれか一方のインジェクタが故障している場合には、故障していないインジェクタのみによって燃料噴射制御を行い、
前記両方のインジェクタが故障していない場合には、成層燃焼領域か否かを判定し、
成層燃焼領域である場合には、前記成層燃焼用インジェクタのみによって成層燃焼噴射制御を行い、
均質燃焼領域である場合には、さらに現時点の噴射量が所定噴射量以下であるか否かを判定し、
前記所定噴射量以下である場合には、前記均質燃焼用インジェクタのみによって均質燃焼噴射制御を行い、
前記所定噴射量を越える場合には、前記両方のインジェクタによって均質燃焼噴射制御を行うことを特徴とする筒内直噴CNGエンジンの燃料噴射制御方法。 A spark plug disposed approximately in the center of the combustion chamber;
A stratified combustion injector and a homogeneous combustion injector for injecting CNG fuel into the combustion chamber;
A cavity for stratified combustion formed in a concave shape on the top surface of the piston;
With
The stratified combustion injector has its spray shape and spray angle set so that CNG fuel is injected into the cavity,
The homogeneous combustion injector is disposed in the combustion chamber so that the fuel spray injected from the homogeneous combustion injector does not directly enter the cavity.
The stratified combustion injector and the homogeneous combustion injector both have a minimum injection amount,
A fuel injection control method for an in-cylinder direct injection CNG engine that switches between stratified combustion and homogeneous combustion according to engine operating conditions,
Determining whether or not the stratified combustion injector and the homogeneous combustion injector have failed;
If either one of the injectors is faulty, perform fuel injection control only with the non-failing injector,
If both of the injectors are not faulty, determine whether or not it is a stratified combustion region,
When it is a stratified combustion region, stratified combustion injection control is performed only by the stratified combustion injector,
In the case of a homogeneous combustion region, it is further determined whether or not the current injection amount is a predetermined injection amount or less,
If it is equal to or less than the predetermined injection amount, homogeneous combustion injection control is performed only by the homogeneous combustion injector,
A fuel injection control method for an in-cylinder direct injection CNG engine , wherein when the predetermined injection amount is exceeded, homogeneous combustion injection control is performed by both of the injectors .
前記均質燃焼用インジェクタは、前記燃焼室内の排気側または中央側に配設されていることを特徴とする請求項1または2に記載の筒内直噴CNGエンジンの燃料噴射制御方法。While the stratified charge injector and the cavity are disposed on the intake side in the combustion chamber,
The fuel injection control method for a direct injection CNG engine according to claim 1 or 2 , wherein the homogeneous combustion injector is disposed on an exhaust side or a central side in the combustion chamber.
前記均質燃焼用インジェクタは、その燃料噴霧が前記ピストンの位置にかかわらず前記キャビティ内に直接入らないように噴霧角および噴射孔の向きが設定され、
さらに前記両インジェクタは、最大噴射かつ最大回転時でも圧縮行程内での燃料噴射が可能なように噴射率が設定されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の筒内直噴CNGエンジンの燃料噴射制御方法。While the stratified charge injector has an injection rate set so that stratified charge can be burned independently,
The homogeneous combustion injector has its spray angle and injection hole orientation set so that its fuel spray does not enter the cavity directly regardless of the position of the piston,
Further, the two injector according to any one of claims 1-3, characterized in that the maximum injection and maximum during rotation even possible fuel injection in the compression stroke of like injection rate is set A fuel injection control method for an in- cylinder direct injection CNG engine.
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