JP4134735B2

JP4134735B2 - 筒内直噴火花点火式内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP4134735B2
Application number: JP2003013818A
Authority: JP
Inventors: 一路糸永; 康治平谷; 勇堀田; 賢明久保
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-01-22
Filing date: 2003-01-22
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2023-01-22
Also published as: JP2004225601A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射火花点火式内燃機関の成層燃焼時の燃焼性を改善する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の筒内噴射火花点火式内燃機関として、以下に示すようなものがある（特許文献１参照）。
【０００３】
これは、燃料噴射弁により燃焼室上部から略中空円錐状に燃料を噴射するものであり、噴射される燃料の貫徹力の垂直成分は水平成分より大きい。ピストン頂面にはキャビティが形成され、キャビティは、略円筒状の周壁面と、周壁面に滑らかに接続された底壁面と、底壁面に滑らかに接続された略円錐状の隆起部とを有し、キャビティ周壁面は、圧縮行程末期において、燃料噴射弁から噴射された略中空円錐状の燃料の大部分が鋭角に衝突するように形成され、点火プラグは、キャビティの隆起部の真上近傍に配置されている。
【０００４】
そして、燃料噴射弁から噴射した燃料によりキャビティ上空に成層混合気を生成し、この成層混合気を前記点火プラグで火花点火することにより安定した成層燃焼を実現しようとしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−８２０２８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、成層混合気の大きさはおおむねキャビティ形状、すなわちキャビティ容積により決められることになる。
【０００７】
しかし、これでは、成層燃焼運転中の特定の負荷領域において安定かつ燃費良く、排気エミッションの少ない燃焼を実現させると、負荷の異なる領域においては、同様の良好な燃焼性を得られないこととなる。
【０００８】
例えば、成層燃焼運転での中負荷領域に良好な燃焼性を得られるようにキャビティ容積を適合させると、低負荷領域で点火プラグまわりの成層混合気がリーンとなって、安定が悪くなり燃費が悪化し、一方、高負荷領域で点火プラグまわりの成層混合気がリッチとなってスモークやＨＣが増加することがある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明は、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁及び点火プラグを備え、ピストン上にキャビティが形成されて成層燃焼を行うと共に、燃焼室内にスワール流動を強さを可変に形成するスワール流動生成手段を備えた筒内直噴火花点火式内燃機関において、前記成層燃焼を行う運転領域において、前記スワール流動生成手段を用いて負荷の増大に伴い弱くなるスワール流動を生成し、前記成層燃焼を行う高負荷領域では前記成層燃焼を行う低負荷領域に比べて弱いスワールを生成する構成とした。
このようにすれば、成層燃焼運転中において、低負荷領域では強いスワール流動により、成層混合気塊を小さくして点火プラグ周りに寄せることにより、空燃比のリーン化を抑制でき、高負荷領域ではスワール流動を弱くすることにより、成層混合気塊を大きく保持して空燃比のリッチ化を抑制できるので、負荷の変化に関わらず成層燃焼に適した空燃比に維持することができ、以って成層燃焼全域にわたって安定して燃費がよく、排気エミッションも良好な成層燃焼を実現できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の実施形態にかかる筒内直噴火花点火式内燃機関の燃焼室及び周辺の構成を示す。
【００１１】
内燃機関Ｅは、燃焼室１と、燃焼室１を形成するシリンダヘッド２と、シリンダブロック３と、ピストン４と、吸気ポート５と、排気ポート６と、吸気弁７と、排気弁８と、吸気弁用カム９と、排気弁用カム10と、燃料噴射弁11と、点火プラグ12と、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）13と、スワール制御弁14からなる。燃料噴射弁11は燃焼室中心に設置される。
【００１２】
ピストン４の冠面にはキャビティ41が形成される。燃料噴射弁11は、圧縮行程後半における筒内圧力上昇時にも噴霧形状の変化が小さく、指向性の強いマルチホール噴射弁を用いる。スワール制御弁14は、２本ある吸気ポート5の一本の一部通路を遮断することにより、筒内にスワール流動を生成する。スワール制御弁14は、シャフトにより任意角度に開閉され、任意強さのスワール流動を生成可能となる。すなわち、このスワール制御弁14は、スワール流動生成手段を構成する。
【００１３】
図２は、本発明に係るスワール制御を行わない場合に生じる課題を示す。成層運転での中負荷領域に合わせたキャビティ容積を用いると、成層燃焼運転での低負荷領域においては、相対的に成層混合気塊が大きすぎて成層混合気がリーンとなり、安定が悪くなり燃費が悪化する。また、成層燃焼運転での高負荷領域では、相対的に成層混合気塊が小さすぎて成層混合気がリッチとなり、スモークやＨＣが増加する。
【００１４】
そこで本実施形態では、前記キャビティ41を成層燃焼運転での高負荷領域に適した容積に設定しつつ、負荷に対して最適なスワール強度を与えることで、成層燃焼運転において、低負荷領域から高負荷領域まで、安定が良くスモークやＨＣが増えない成層混合気塊をキャビティ上空に形成する。具体的には、前記スワール制御弁14を低負荷領域では大きく絞って該スワール制御弁14が設けられる吸気ポートからの流速を増大することにより、スワール流動を強くし、高負荷領域ではスワール制御弁14の絞り量を小さすることによりスワール流動を弱くするように制御する。
【００１５】
図３は、成層燃焼運転での低負荷領域における噴霧混合気挙動を示す。
まず、燃料噴射弁11からの燃料噴霧は、キャビティ底面41ａに衝突するが、噴霧進行方向とその後噴霧が進行する側のキャビティ底面とのなす角が鈍角になるよう角度が設定される。
【００１６】
その後噴霧は、曲面41ｂと平面41ｃによって誘導され進行する。曲面41ｂと平面41ｃによって噴霧の噴射方向速度がもとの噴射された方向へ変換されて、点火プラグ12近傍まで巻き上げられつつ、うずのように旋回する流速を持つようになる。これにより均質な成層混合気塊が生成される。
【００１７】
さらにピストン４の上昇に伴いピストン冠面スキッシュ部４ａ上空のスワール流は平面41ｃに沿ってキャビティ底面41ａ方向への流れとなり、結果として混合気をキャビティ41からこぼさずに、キャビティ41中心付近に成層混合気塊ができる。
【００１８】
図４は、成層燃焼運転での高負荷領域における噴霧混合気挙動を示す。
低負荷の場合と同様、燃料噴霧はキャビティ底面41ａに衝突し、曲面41ｂと平面41ｃによって誘導され進行する。曲面41ｂと平面41ｃによって噴霧の噴射方向速度がもとの噴射された方向へ変換され、結果としてうずのように旋回する流速を持つようになる。これにより均質な成層混合気塊が生成される。
【００１９】
さらにピストン４の上昇に伴いピストン冠面スキッシュ部４ａ上空からの流れは低負荷に比較し小さいスワール流であるため、低負荷と比較して大きな混合気塊となり、キャビティ４ａ上空に濃度むらのない均質な混合気を形成する。
【００２０】
図５（Ａ），（Ｂ）に、筒内シミュレーションにより得られたスワール流動無し有りの混合気形状を比較して示す。
同図（Ａ）のスワール流動無しの成層燃焼運転、低負荷条件においてはキャビティ側面に沿ってドーナツ状に均質でない混合気が形成されるため、燃焼安定性が悪化している。しかしながら成層低負荷運転条件においてスワール流動を強化することにより、混合気の集結が強められ、シリンダ外周方向への噴霧拡散を抑制する効果が得られる。すなわち、成層燃焼低負荷領域においてスワール流動を強化することにより、噴霧をシリンダ中心軸方向へコンパクトにすることができる。
【００２１】
以上のように、スワール流動作用により、図５（Ｂ）に示した混合気塊は、同ず（Ａ）に示した混合気塊と比較して、よりコンパクトになる。さらに、強化された流動による筒内の乱れ強さは、燃焼速度を速める効果があり、燃焼安定性を確保するのが比較的困難な成層燃焼低負荷条件においても、安定した成層燃焼が期待できる。
【００２２】
この高い安定性を利用し、大量のＥＧＲを導入することが可能となり、ＮＯｘの低減も可能となる。これら低負荷運転条件におけるスワール流動は、噴霧の拡散を防ぐため、シリンダ中心軸に対しおよそ水平な流動であることが望ましい。なお、比較的噴射時期が早期に設定される成層高負荷運転領域において、スワール流動を強化しすぎると、噴霧が集結しすぎ過濃な混合気が形成されるため、成層運転領域では負荷の増大に伴いスワール流動変化割合を小さく与えることにより燃費悪化などの跳ね返りを防いでいる。
【００２３】
図６に、スワール流動制御の各種パターンを示す。
制御パターン１においては、成層燃焼運転領域での負荷の増大に伴いスワール流動変化割合を小さく与えることにより、負荷に応じた混合気塊をキャビティ上空に形成する。
【００２４】
また、成層高負荷運転領域において、スワール流動の負荷に対する変化割合を成層低負荷運転領域に比較し小さくすることにより、成層高負荷運転領域での適切な混合気塊をキャビティ上空に形成する。
【００２５】
さらに、成層燃焼運転領域において、負荷の増大に伴いスワール流動の負荷に対する変化割合を、負荷に対して徐々に小さくすることにより、より緻密に各負荷条件に応じて最適なスワール流動強さを実現できる。
【００２６】
制御パターン２においては、制御を簡略化したものであり、成層燃焼運転中の低負荷領域では負荷に対してスワール流動強さの変化割合を与え、高負荷領域ではスワール流動強さの要求変化が小さいため、スワール流動強さを略一定とすることにより、均質な混合気をキャビティ上空に形成する。このようにすれば、成層燃焼の高負荷領域においては、スワール流動強さの感度変化が大きくないのでスワール流動強さを一定にすることにより、安定したスワール流動強さを得られ、高負荷領域においてより安定した成層燃焼を実現できる。
【００２７】
制御パターン３においては、更に制御を簡略化したものであり、成層燃焼運転中の低負荷領域では一定した強いスワール流動を与え、高負荷領域では一定した弱いスワール流動を与える２段階に切り換える制御とすることにより、より簡単な制御で均質な混合気をキャビティ上空に形成する。
【００２８】
制御パターン４においては、成層燃焼運転時より更に高負荷側の均質燃焼運転領域に対応するため、均質燃焼運転領域ではスワール流動をなくすようにしたもので、このようにすれば、該均質燃焼運転領域で、充填効率の低下による出力の低下を防止できる。
【００２９】
次に、キャビティ形状による作用を、図７に基づいて詳細に説明する。キャビティ底面41ａと鈍角をして衝突した燃料噴霧は、衝突後の噴霧進行方向に対し前記燃料噴射弁側に湾曲する曲面41ｂに沿って誘導され、さらに、キャビティ41端縁部の燃料噴射弁の先端近傍方向から垂直方向の間を指向している平面41ｃにより誘導されて進行するため、キャビティ41内に均質でむらのない成層混合気塊を生成する。この結果、大量ＥＧＲを導入することが可能となり、ＮＯｘが少なく燃費の良い成層燃焼を実現できる。
【００３０】
また、燃料噴射弁の仕様による作用を図８に基づいて説明する。すなわち、本実施形態では、燃料噴射弁11としてマルチホール噴射弁を用いるため、圧縮行程の高背圧下においても、指向性の強い噴霧を形成でき、均質な成層混合気塊を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる筒内直噴火花点火式内燃機関の燃焼室及び周辺の構成を示す断面図。
【図２】同上実施形態で、本発明に係るスワール制御を行わない場合に生じる課題を説明するための図。
【図３】同上実施形態の成層燃焼運転での低負荷条件における噴霧混合気挙動を示す図。
【図４】同上実施形態の成層燃焼運転での高負荷条件における噴霧混合気挙動を示す図。
【図５】同上実施形態の成層燃焼運転でのスワール流動無しの混合気形状と、スワール流動有りの混合気形状とを比較して示した図。
【図６】本発明のスワール流動制御の各種パターンを示した図。
【図７】同上実施形態のキャビティ形状による作用を示した図。
【図８】燃料噴射弁の仕様による作用を示した図。
【符号の説明】
１燃焼室
４ピストン
４ａスキッシュ部
５吸気ポート
７吸気弁
11 燃料噴射弁
12 点火プラグ
13 ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）
14 スワール制御弁
41 キャビティ
41ａキャビティの底面
41ｂキャビティの曲面
41ｃキャビティの平面

Claims

燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と点火プラグとを備え、圧縮行程でピストン上に形成したキャビティへ向けて前記燃料噴射弁から燃料を噴射して成層混合気を生成し、この成層混合気に対し前記点火プラグで火花点火して成層燃焼を行うと共に、燃焼室内にスワール流動を強さを可変に生成するスワール流動生成手段を備えた筒内直噴式内燃機関において、
前記成層燃焼を行う運転領域において、前記スワール流動生成手段を用いて負荷の増大に伴い弱くなるスワール流動を生成し、前記成層燃焼を行う高負荷領域では前記成層燃焼を行う低負荷領域に比べて弱いスワールを生成することを特徴とする筒内直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
前記点火プラグで火花点火される成層混合気は、前記燃料噴射弁から下方に噴射されて前記キャビティ周壁に沿って巻き上げられた燃料により生成された成層混合気であることを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
前記成層燃焼による運転中は、スワール流動の負荷に対する変化割合を、高負荷な運転領域では低負荷な運転領域より小さくすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の筒内直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
前記成層燃焼による運転中は、スワール流動の負荷に対する変化割合を、負荷の増大に伴い徐々に小さくすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の筒内直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
前記成層燃焼による運転中の高負荷領域では、スワール流動強さを略一定とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の筒内直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
前記成層燃焼による運転中での、スワール流動強さを、低負荷と高負荷とで２段階に切り換えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の筒内直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
成層燃焼運転領域より高負荷では均質燃焼による運転を行い、この均質燃焼運転領域ではスワール流動を生成しないことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の筒内直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
前記キャビティは、燃料噴射弁からの燃料噴霧が斜めに衝突する第１壁面と、この第１壁面に連続する湾曲した第２壁面とを備え、前記第１壁面は、衝突した噴霧が進行する側において前記噴孔の中心軸線と鈍角をなし、前記第２壁面は、衝突後の噴霧進行方向に対し前記燃料噴射弁側に湾曲し、前記第２壁面の端部における接線、あるいは前記第２壁面に連続する第３壁面が、前記燃料噴射弁の先端近傍方向から垂直方向の間を指向していることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の筒内直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
前記燃料噴射弁は、マルチホール噴射弁を用いることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の筒内直噴火花点火式内燃機関の制御装置。