JP4609227B2 - Internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、燃焼室内に直接噴射された燃料に、噴出火炎などの燃料着火源を放出して着火を行う内燃機関に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine that performs ignition by discharging a fuel ignition source such as a jet flame to fuel directly injected into a combustion chamber.
従来、特許文献1に開示されているように、副室式内燃機関において、主燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、主燃焼室内に噴出火炎などの燃料着火源を放出して、燃料噴射弁から噴射された燃料に着火する着火装置(副室および点火プラグを含む)とを設け、副室内での燃焼にて、副室の連通路から主燃焼室内に形成される略柱状の噴出火炎により主燃焼室内の混合気をトーチ燃焼させることが知られている。これにより、主燃焼期間を火花点火式内燃機関に対して大幅に短縮し、より希薄な混合気の燃焼を可能にし、燃費向上につながる非常に高効率な燃焼を実現可能にしている。
Conventionally, as disclosed in
また、特許文献2に開示されているように、内燃機関の燃焼室構造において、燃焼室の外周縁部に、複数の噴孔を介して燃焼室と連通された小容積の周辺チャンバが形成され、周辺チャンバからの火炎が燃焼室周方向に噴出されることが知られている。この場合、周辺チャンバの、混合気のリッチな部分が偏在しやすい吸気ポート側の噴孔の開口面積を排気ポート側より小さくすること、または、周辺チャンバを排気ポート側にオフセットして配置することで、吸気ポート側のリッチ領域の急速燃焼を抑制する。
しかしながら、特許文献1に記載の副室式内燃機関では、機関負荷の増大に伴い、主燃焼室内において相対的にリッチ化された混合気へのトーチ燃焼により発生する異常急速燃焼、及び、異常急速燃焼に伴う燃焼温度の上昇により、熱せられた副室壁面での主燃焼室混合気の早期着火(プレイグニッション)が発生し、大きな振動や音を発生することが懸念される。
However, in the sub-chamber internal combustion engine described in
また、特許文献2に記載の内燃機関の燃焼室構造では、吸気ポート側のリッチ混合気の偏在は意図したものではなく、仮に運転条件等の違いにより吸気ポート側にリッチな混合気が偏在しなかった場合は、吸気ポート側の燃焼が過度に遅くなったり、逆に排気ポート側の燃焼が過度に速くなったりして燃焼が不安定になる恐れがある。また、壁面近傍にもリッチ混合気が偏在しているため、壁流が増加し未燃HCの排出が比較的多いと推察される。
Further, in the combustion chamber structure of the internal combustion engine described in
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、プレイグニッションの発生を抑制すると共に、燃料噴射量が多い運転条件(例えば、高負荷運転領域)においても燃料着火源によるトーチ燃焼を安定して行うことを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and suppresses the occurrence of pre-ignition and stabilizes torch combustion by a fuel ignition source even in an operating condition where the fuel injection amount is large (for example, a high load operating region). The purpose is to do.
そのため本発明では、ピストン冠面に設けられたキャビティと、燃焼室の略中央に配置され、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、この燃料噴射弁の近傍に配置され、連通路を通して前記燃焼室内に燃料着火源となる火炎を放出して、前記燃焼室内の混合気に着火する副室式の着火装置と、前記燃料噴射弁の噴射時期および前記着火装置の着火時期を制御するコントロールユニットと、を備える内燃機関において、機関の中・高負荷域では前記燃料噴射弁から早期噴射と後期噴射との分割噴射を行い、前記早期噴射によって前記キャビティ内およびその上空あるいは前記燃焼室全体にリーンな混合気を形成するとともに、前記キャビティへ向かって噴射する前記後期噴射によって前記キャビティの側壁部に沿って上方へ円筒状に立ち上がる局部的にリッチな混合気を形成するように構成し、さらに、前記着火装置の連通路を、平面視において前記キャビティの内周側に配置し、かつ、前記後期噴射によって形成される局部的にリッチな混合気が前記着火装置の連通路に達する前に前記着火装置による着火を行うことを特徴とする。 Therefore, in the present invention, a cavity provided on the piston crown surface, a fuel injection valve that is disposed substantially at the center of the combustion chamber, and directly injects fuel into the combustion chamber, is disposed in the vicinity of the fuel injection valve, and passes through the communication passage. A sub-chamber ignition device that emits a flame as a fuel ignition source into the combustion chamber and ignites an air-fuel mixture in the combustion chamber, and controls the injection timing of the fuel injection valve and the ignition timing of the ignition device An internal combustion engine comprising: a control unit; in the middle and high load ranges of the engine, the fuel injection valve performs split injection of early injection and late injection, and the early injection in the cavity and above or in the entire combustion chamber A lean air-fuel mixture is formed, and the latter injection that is injected toward the cavity stands in a cylindrical shape upward along the side wall of the cavity. And a local portion formed by the latter-stage injection, wherein the communication path of the ignition device is arranged on the inner peripheral side of the cavity in a plan view. It is characterized in that ignition by the ignition device is performed before the rich air-fuel mixture reaches the communication path of the ignition device .
本発明によれば、着火装置の連通路近傍にはリーンな成層混合気が形成されるため、異常急速燃焼やプレイグニッションの発生を抑制できると共に、連通路近傍から離れた位置に形成されるリッチな成層混合気には、着火装置から放出される火炎により着火を行うため、燃料噴射量が多い運転条件においても安定した運転ができるという効果を奏する。 According to the present invention, since a lean stratified mixture is formed in the vicinity of the communication path of the ignition device, the occurrence of abnormal rapid combustion and pre-ignition can be suppressed, and the rich formed at a position away from the vicinity of the communication path. Since the stratified mixture is ignited by the flame emitted from the ignition device, there is an effect that a stable operation can be performed even under an operation condition with a large amount of fuel injection.
以下、本発明の実施形態について図面に基づいて詳細に説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態における内燃機関(以下、「エンジン」と称する)1の構成図である。図2は、燃料噴射弁6から主燃焼室4内に燃料を直接噴射した後に、副室8内のガスに点火することで主燃焼室4内に略柱状の噴出火炎(燃料着火源)を形成した状態を示した図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram of an internal combustion engine (hereinafter referred to as “engine”) 1 according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 shows a substantially columnar jet flame (fuel ignition source) in the
エンジン1は、吸気ポート2を介して吸気バルブ3を開いた時に主燃焼室4内に新気を導入する。主燃焼室4は、ピストン5、吸気バルブ3、排気バルブ10、シリンダヘッド内壁およびシリンダブロック内壁により構成される。
主燃焼室4の下部には、シリンダ内を往復運動するピストン5が設けられている。図1では、ピストン5の冠面に、燃料噴射弁6から噴射された燃料を受ける円形のキャビティ5aを形成している。キャビティ5aには、略円形の底部5bと、この底部5bの周縁部の側壁部5cとが形成されている。
The
A
一方、主燃焼室4の上部の略中央には、ピストン5のキャビティ5aに向けて燃料を噴射する燃料噴射弁6が設けられており、この燃料噴射弁6の近傍に、点火プラグ7を内部に具備した副室8が設けられている。なお、図1では、副室8と点火プラグ7とを含んで着火装置を構成している。
燃料噴射弁6は、運転条件(負荷)に応じて燃料噴射時期および燃料噴射量を変更でき、また、総燃料噴射量の一部を先に噴射し、その後に残りの燃料を噴射することができるようになっている。燃料噴射弁6が総燃料噴射量の一部を先に噴射することで、図2に示すように、主燃焼室4全体にリーンな混合気を形成し、その後に残りの燃料を噴射することでピストン5のキャビティ5a内および側壁部5cの上側にリッチな混合気を形成する。
On the other hand, a
The
副室8は、主燃焼室4と比較して容積が小さく、連通路9を介して主燃焼室4と連通している。図1では、副室8の先端部が略半円球状に形成されており、ここに連通路9が円周方向に所定間隔で複数個形成されている。
このため、副室8には、燃料噴射弁6から噴射された燃料の一部が主燃焼室4内の空気と混合された状態でピストン4の圧縮により流入する。これにより、副室8内には燃焼に適した混合気(ガス)が主燃焼室4から供給される。
The
For this reason, a part of the fuel injected from the
また、主燃焼室4内では、燃料噴射弁6から噴射される燃料が主燃焼室4内の空気と混合することにより空燃比のリッチおよびリーンの分布がある成層混合気が形成される。
図2(A)では、主燃焼室4内に燃料噴射弁6から噴射された燃料が、ピストン5のキャビティ5a内および該キャビティ側壁部5cの上側にリッチな成層混合気が形成されている例を示している。
Further, in the
In FIG. 2 (A), the fuel injected from the
この場合、燃料噴射弁6から噴射された燃料は、主としてピストン5のキャビティ5aの底部5bに衝突して側壁部5cからシリンダ軸方向上側に略中空円筒状に上昇する。副室8は、図示しないが平面視した場合には、ピストン5のキャビティ5aの側壁部5cより内側の位置に設けられている。このため、着火装置の燃料着火源放出部(副室8の連通路9)の近傍位置にリーンな成層混合気が形成される一方、リッチな成層混合気は、副室8の連通路9から離れた位置に形成される。なお、リーンな成層混合気の空燃比は、プレイグニッションが発生しない程度の空燃比になっている。
In this case, the fuel injected from the
また、副室8内のガスに点火プラグ7により点火をした場合には、副室8内の混合気が爆発することで、主燃焼室4内に放出される燃料着火源として略柱状のトーチ(噴出火炎)が形成され、このトーチによりリッチな成層混合気に着火・燃焼を可能にする。
なお図2(B)は、燃料噴射弁6および副室8を吸気バルブ3近傍の主燃焼室4の側面(サイド)側に設定した参考例を示している。
In addition, when the gas in the
Note Fig. 2 (B) shows a reference example of the
図1を再度参照して、燃焼終了後の排気は、排気バルブ10を開いて排気通路11に排出される。排気通路11には排気空燃比センサ12が設けられ、その下流には排気浄化触媒13が設けられている。さらに、排気浄化触媒13には、温度センサ14が設けられている。
吸気バルブ3および排気バルブ10は、それぞれ吸気カム15および排気カム16により駆動される。吸気カム軸端には燃料ポンプ17が介装されており、ここで加圧された燃料は高圧燃料配管18を通して燃料噴射弁6に導かれる。また高圧燃料配管15には燃圧センサ19が設けられ、ここで燃料圧力を検知し、その信号はエンジンコントロールユニット(ECU)20に送られる。
Referring again to FIG. 1, the exhaust after completion of combustion is discharged into the exhaust passage 11 by opening the
The
なお、エンジン1はECU20により統合的に制御される。このため、ECU20には、吸入空気量を検出するエアフローメータの信号、アクセル開度信号、クランク角センサ信号、冷却水温センサ信号などの信号が入力され、これらの信号に基づいて燃料噴射弁6、点火プラグ7等の制御を行う。
また図1では、副室8内へ、主燃焼室4からの混合気導入以外に別途燃料を直接導入する構成としてないが、トーチ点火の勢いを増大させ、より主燃焼室4内の燃焼速度を促進させるために、副室8内へ直接、ガソリン、または水素等の改質燃料、または改質ガス等を導入する構成でも勿論よい。
The
In FIG. 1, the fuel is not directly introduced into the
また、主燃焼室8内に略柱状の燃料着火源を形成する手段として、副室8内に設けられた点火プラグ7を用いることについて説明したが、これに限定されるものではない。例えば着火装置としては、プラズマやマイクロ波などを発生させる装置を用いて、リッチな成層混合気に体積着火できる熱源を形成することができるものであればよい。
また、図1では、燃料噴射弁6から噴射された燃料は、ピストン5のキャビティ5aにより空燃比のリッチおよびリーンの分布がある成層混合気が形成されることについて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、燃料噴射弁6により、主燃焼室4内において空燃比のリッチおよびリーンの分布がある成層混合気が形成できる場合には、ピストン5のキャビティ5aを形成しなくともよい。
Further, although the description has been given of using the
Further, in FIG. 1, it has been described that the fuel injected from the
次に、図3を参照して、本発明のエンジンと従来のエンジン(特許文献1のエンジンの構成を簡略化して示したもの)とにおいて、機関負荷に対する混合気の分布について説明する。
図3(A)は特許文献1における混合気の分布であり、図3(B)は本発明における混合気の分布である。これらは、ピストン5が圧縮上死点近傍にあるときにおける混合気の形成を示している。なお、負荷は、例えばアクセル開度や燃料噴射弁6からの燃料噴射量に基づいて求める。
Next, with reference to FIG. 3, the distribution of the air-fuel mixture with respect to the engine load in the engine of the present invention and the conventional engine (the simplified configuration of the engine disclosed in Patent Document 1) will be described.
3A shows the distribution of the air-fuel mixture in
特許文献1のエンジンでは、図3(A)に示すように、ピストンの冠面が平らに形成されており、吸気マニホールドに取り付けられた燃料噴射弁から吸気行程中に主燃焼室内へ燃料噴射を行うことで、燃焼室全体に略均一の混合気を形成する。そして、着火装置(点火プラグが内蔵された副室)の先端部から略柱状の燃料着火源を形成して混合気に着火する。
In the engine of
この場合、機関負荷の増大に伴い、燃料噴射弁から噴射される燃料噴射量が増加することから、主燃焼室全体の混合気濃度が低負荷時と比較して相対的にリッチ化していく。主燃焼室全体の混合気は略均一なので、略柱状の燃料着火源近傍の混合気濃度も、同様に相対的にリッチ化していき、ある相対的にリッチ化された混合気濃度に達した際には、異常急速燃焼及びこれに伴うプレイグニッションが発生する。 In this case, as the engine load increases, the fuel injection amount injected from the fuel injection valve increases, so that the air-fuel mixture concentration in the entire main combustion chamber becomes relatively rich as compared to when the load is low. Since the air-fuel mixture in the main combustion chamber is almost uniform, the air-fuel mixture concentration in the vicinity of the substantially columnar fuel ignition source has also become relatively rich, and reaches a relatively rich air-fuel mixture concentration. In some cases, abnormal rapid combustion and accompanying preignition occur.
また、機関負荷の低減に伴い、燃焼室全体の混合気濃度が相対的にリーン化されるが、略柱状の噴出火炎による希薄限界当量比(=14.7/空燃比)が存在する。この当量比よりリーン化は不可能なため、さらに低負荷時は、スロットルを絞って負の仕事(ポンプロス)を発生させ、負荷調整を行う。
本発明のエンジン1では、図3(B)(I)〜(IV)に示すように、低負荷から高負荷までの各運転条件においてそれぞれ最適な混合気が形成される。
As the engine load is reduced, the air-fuel mixture concentration in the entire combustion chamber becomes relatively lean, but there is a lean limit equivalent ratio (= 14.7 / air-fuel ratio) due to a substantially columnar jet flame. Since leaning is impossible from this equivalent ratio, the throttle is throttled to generate negative work (pump loss) at a lower load, thereby adjusting the load.
In the
運転条件が低負荷である場合には、図3(B)(I)に示すように、ピストン5のキャビティ5a内およびその上側に略均一な混合気を形成する。
運転条件が中負荷近傍である場合には、図3(B)(II)に示すように、主燃焼室4全体に略均一なリーン混合気を形成する。
運転条件が中負荷から高負荷である場合には、図3(B)(III)に示すように、着火装置の燃料着火源放出部の近傍にはリーンな成層混合気が形成される一方、燃料着火源放出部から離れた位置、すなわち、ピストン5のキャビティ5a内およびキャビティ側壁部5cの上側の位置には、リッチな成層混合気が形成される。なお、この運転条件では、燃料噴射弁6は、吸気行程後期から圧縮行程中期(または圧縮行程前期)の間で総燃料噴射量の一部の燃料を噴射する早期噴射を行い、その後の圧縮行程中期から圧縮行程後期の間に残りの燃料を噴射する後期噴射を行う。
When the operating condition is a low load, as shown in FIGS. 3B and 3I, a substantially uniform air-fuel mixture is formed in the
When the operating condition is in the vicinity of a medium load, a substantially uniform lean mixture is formed in the entire
When the operation condition is from medium load to high load, a lean stratified mixture is formed in the vicinity of the fuel ignition source discharge portion of the ignition device as shown in FIGS. A rich stratified mixture is formed at a position away from the fuel ignition source discharge part, that is, at a position inside the
ピストン5のキャビティ5aには、底部5bとこの底部5bからシリンダ軸方向上側に形成された側壁部5cとが形成されているため、燃料噴射弁6から噴射された燃料は、キャビティ5aの底部5bに衝突し、側壁部5cから上側に略円筒状のリッチな成層混合気を形成する。また、リッチな成層混合気の外側では空燃比がリーンになっている。
そして、副室8の先端部(連通路9)は、平面視した場合にピストン5のキャビティ5aの側壁部5c内に配置される構造であるため、略円筒状のリッチな成層混合気より内側で空燃比がリーンな成層混合気が形成されているところに配置される。これにより、副室8の先端部が主燃焼室4内における燃焼により高温状態となった場合においても、副室8内の点火プラグ7により点火をするまで燃料が自然着火することを防止できる。但し、副室8内の点火プラグ7の点火時期は、リッチな成層混合気が副室8の連通路9に達する前に、副室8から噴出火炎をリッチな成層混合気に放出できるよう適切に設定する。
The
Further, the front end portion (communication passage 9) of the
更に、副室8の先端部に形成された連通路9が円周方向に所定間隔で複数個形成されており、副室8内の点火プラグ7により副室8の連通路9から燃料着火源である略柱状の噴出火炎により、ピストン5の側壁部5cから上側に形成されたリッチな成層混合気に着火して燃焼を行う。これにより、リーンな成層混合気が形成されている副室8の先端部近傍では異常急速燃焼やプレイグニッションの発生を防止でき、燃料噴射量が多く、異常急速燃焼やプレイグニッションが発生しやすい運転条件(中負荷以上)においても安定した運転ができる。
Further, a plurality of
また、中負荷から高負荷時では、ピストン5のキャビティ5a内およびキャビティ側壁部5cのシリンダ軸方向上側にリッチな混合気が形成されているため、非成層化時に対しポンプロスによる負の仕事が低減するため燃費が良く、また、シリンダ壁流が低減するため、未燃HCの排出も低減できる。
運転条件が高負荷である場合には、図3(B)(IV)に示すように、着火装置の燃料着火源放出部の近傍にはリーンな成層混合気が形成される一方、燃料着火源放出部から離れた位置、すなわち、ピストン5のキャビティ5a内およびキャビティ側壁部5cの上側の位置には、リッチな成層混合気が形成される。
Further, when the load is medium to high, a rich air-fuel mixture is formed in the
When the operating condition is a high load, a lean stratified mixture is formed near the fuel ignition source discharge portion of the ignition device, as shown in FIGS. A rich stratified mixture is formed at a position away from the fire source discharge portion, that is, at a position inside the
図3(B)(IV)に示すような成層混合気は、吸気行程中に燃料の早期噴射を行って主燃焼室4全体にリーンな成層混合気を形成し、その後の圧縮行程中に燃料の後期噴射を行うことで形成する。
そして、図3(B)(III)と同様に、ピストン5のキャビティ5aには、底部5bとこの底部5bからシリンダ軸方向上側に形成された側壁部5cとが形成されているため、燃料噴射弁6から噴射された燃料は、キャビティ5aに衝突し、側壁部5cから上側に略円筒状のリッチな成層混合気を形成する。
The stratified mixture as shown in FIGS. 3 (B) and 3 (IV) performs early fuel injection during the intake stroke to form a lean stratified mixture over the entire
3 (B) and (III), the
しかしながら、図3(B)(IV)では、燃料噴射弁6から噴射される燃料量が図3(B)(III)と比較して多いため、ピストン5のキャビティ5a内およびキャビティ側壁部5cのシリンダ軸方向上側に形成される成層混合気は、よりリッチになる。この時、キャビティ側壁部5cのシリンダ軸方向上側に形成されたリッチな成層混合気の外側では空燃比がリーンになっているが、図3(B)(III)と比較してリッチになっている。また、リッチな成層混合気が形成された位置以外では、主燃焼室4全体に、理論空燃比(14.7)よりリーンな成層混合気が形成されている。
However, in FIGS. 3 (B) and (IV), the amount of fuel injected from the
次に、本発明における機関負荷に対する混合気の当量比について図4を用いて説明する。図4には、主燃焼室4全体の混合気の当量比を実線α、キャビティ5内およびキャビティ側壁部5cのシリンダ軸方向上側に形成されるリッチ成層混合気の当量比(図4(B)にて破線にて示した位置の当量比)を破線β、および、副室8の先端部(連通路9)近傍の当量比(図4(B)にて一点鎖線にて示した位置の当量比)を一点鎖線γでそれぞれ示している。なお、副室8からの噴出火炎による希薄燃焼が可能な限界の当量比をφL、異常急速燃焼によるプレイグニッションが起きる限界の当量比をφHでそれぞれ示している。
Next, the equivalent ratio of the air-fuel mixture to the engine load in the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 4, the equivalence ratio of the air-fuel mixture in the entire
運転条件が比較的低負荷領域にある場合には、図3(B)(I)に示すように、混合気をキャビティ5aの上空に成層化する。図4(A)(I)の負荷領域に示すように、低負荷領域において負荷が比較的高い場合には、キャビティ5aの上空の混合気の当量比は、φH近傍においてφHよりリーン側に設定される。極低負荷時は、キャビティ中心位置の上空の混合気の当量比は、φL近傍においてφLよりリッチ側に設定される。
When the operating condition is in a relatively low load region, the air-fuel mixture is stratified above the
運転条件が比較的中負荷領域にある場合には、図3(B)(II)に示すように、主燃焼室4全体に略均一な混合気を形成するが、その混合気の当量比範囲の下限値は、図4(A)(II)の負荷領域に示すように、φL近傍においてφLよりリッチ側に設定され、上限値はφH近傍においてφHよりリーン側に設定される。なお、この領域では負荷が高くなると当量比がリッチになる。
When the operation condition is in a relatively medium load region, as shown in FIGS. 3 (B) and (II), a substantially uniform mixture is formed in the entire
運転条件が中〜高負荷領域にある場合には、図3(B)(III)に示すように、成層混合気に濃度分布を持たせる。この場合、図4(A)(III)の負荷領域に示すように、負荷の増大に伴い主燃焼室4全体の当量比は相対的にリッチ化していくが、キャビティ中心位置の上空における当量比は、φH近傍においてφHよりリーン側で略一定に設定される一方、キャビティ5a内および側壁部5cの上空の当量比は、負荷の増大に伴い相対的にリッチ化していく。
When the operating condition is in the middle to high load region, the stratified mixture is given a concentration distribution as shown in FIGS. In this case, as shown in the load region of FIGS. 4 (A) and (III), the equivalent ratio of the
運転条件が高負荷領域にある場合には、図3(B)(IV)に示すように、中〜高負荷領域と同様、負荷の増大に伴い主燃焼室4全体の当量比は相対的にリッチ化し、キャビティ中心位置の上空における当量比は、図4(A)(IV)の負荷領域に示すように、φH近傍においてφHよりリーン側で略一定に設定されるが、キャビティ5a内および側壁部5cの上空の当量比は、負荷の増大に伴い相対的にリッチ化していく。
When the operating condition is in the high load region, as shown in FIGS. 3B and 4IV, the equivalence ratio of the
次に、運転条件が中負荷以上になった場合における混合気挙動について説明する。
図5は、図3(B)(III)に示すように、中負荷から高負荷領域においてキャビティ5a内および側壁部5cの上側にリッチな混合気を形成する場合の混合気挙動を示す図である。
先ず、燃料噴射弁6は、吸気行程後期から圧縮行程中期(または圧縮行程前期)の間に、キャビティ5a内に総燃料噴射量の一部の燃料を噴射する早期噴射を行う(図5(I))。早期噴射の噴射時期は、副室8の連通路9の近傍におけるリーン混合気の均一性を高め、NOxの少ない燃焼を実現するため、エンジン負荷の増大に伴い進角する。
Next, the behavior of the air-fuel mixture when the operating condition is equal to or higher than the medium load will be described.
FIG. 5 is a diagram showing the mixture behavior when a rich mixture is formed in the
First, the
噴射された燃料は、キャビティ底部5bに衝突後、噴霧の運動量により、周囲空気を巻き込みながらキャビティ側壁部5cからシリンダ軸方向上側へ誘導される(図5(II))。そして、キャビティ5a内及びその上空に略均一なリーン混合気を形成する(図5(III))。なお、この時、ピストン5の圧縮により副室8内には連通路9を介して可燃混合気が供給される。
The injected fuel collides with the
その後、圧縮行程中期〜後期に、キャビティ5a内に残りの燃料を噴射する後期噴射を行う(図5(III))。後期噴射で噴射された燃料は、ピストン5のキャビティ底部5bに衝突し、キャビティ側壁部5cからシリンダヘッドの内壁へ導かれ、副室8側へ誘導される前に、副室8の連通路9から放出された略柱状の噴出火炎により着火・燃焼される(図5(IV))。これにより、ピストン5のキャビティ側壁部5cの上側に形成されたリッチな成層混合気に、副室8からの略柱状の噴出火炎により燃焼が行われる。
After that, late injection is performed in which the remaining fuel is injected into the
また図6は、図3(B)(IV)に示すように、高負荷領域においてキャビティ5a内および側壁部5cのシリンダ軸方向上側にリッチな成層混合気を形成する場合の混合気挙動を示している。なお、図6では、圧縮下死点(BDC)方向から圧縮上死点(TDC)方向までの各状態と、機関負荷が増加した状態とのそれぞれについて示している。すなわち、図6(a)〜(c)は、圧縮下死点方向から圧縮上死点方向までにおいて運転条件が中負荷領域である場合について示しており、図6(a’)〜(c’)は、図6(a)〜(c)において負荷が高くなった場合をそれぞれ示している。
6 shows the mixture behavior when a rich stratified mixture is formed in the
この場合、燃料噴射弁6は、吸気行程中の早期に総燃料噴射量の一部の燃料を噴射して、主燃焼室4全体にリーンな混合気を形成する(図6(a),(a’))。
そして、圧縮行程中にキャビティ5a内に残りの燃料を後期噴射する(図6(b),(b’))。なお、図6(b’)では、キャビティ側壁部5cのシリンダ軸方向上側からリッチ成層混合気が副室8側へ移動することを防止するため、負荷の増大に伴い燃料噴射時期を遅角する。
In this case, the
Then, the remaining fuel is injected into the
図6(c),(c’)では、後期噴射をした燃料がピストン5のキャビティ底部5bに衝突し、キャビティ側壁部5cから上側に略中空筒状のリッチ混合気を形成する。この場合、図5(d)に示す中〜高負荷における成層混合気と比較して、図6(a)では早期噴射により主燃焼室4全体にリーンな混合気を形成するようにしているため、後期噴射をした場合には、主燃焼室4内のキャビティ側壁部5cより外側においてもリーンな混合気が分布する。これにより、主燃焼室4全体で燃料を完全燃焼させる。
6 (c) and 6 (c '), the late-injected fuel collides with the
本実施形態によれば、燃焼室4内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁6と、燃焼室4内に燃料着火源(例えば噴出火炎)を放出して、燃料噴射弁6から噴射された燃料に着火する着火装置と、を備える内燃機関において、着火装置の燃料着火源放出部の近傍位置にリーンな成層混合気を形成し、着火装置の燃料着火源放出部から離れた位置に燃料着火源により着火されるリッチな成層混合気を形成する。このため、着火装置の燃料着火源放出部近傍にはリーンな成層混合気が形成されるため、異常急速燃焼やプレイグニッションの発生を抑制できると共に、燃料着火源放出部近傍から離れた位置に形成されるリッチな成層混合気には、着火装置から放出される燃料着火源により着火を行うため、燃料噴射量が多い運転条件においても安定した運転ができる。
According to the present embodiment, the
また本実施形態によれば、ピストン冠面に燃料噴射弁6から噴射された燃料を受けるキャビティ5aを形成し、リッチな成層混合気は、キャビティ5a内およびその上側に形成される。このため、リッチな成層混合気を所定位置に安定して形成することができる。
また本実施形態によれば、キャビティ5aの周縁部には、側壁部5cが形成されており、キャビティ5aの上側に形成されるリッチな成層混合気は、キャビティ5aの側壁部5cの上側に形成される。このため、燃料噴射弁6から噴射した燃料をキャビティ5aの側壁部5cによりそのシリンダ軸方向上側に形成することができる。
Further, according to the present embodiment, the
Further, according to the present embodiment, the
また本実施形態によれば、着火装置は、燃焼室4と連通路9を介して連通する副室8と、該副室8内のガスに点火して、連通路9の燃焼室4側の燃料着火源放出部から燃焼室4内に燃料着火源を放出する点火手段と、を含んで構成される。このため、点火手段により副室8内のガスに点火して連通路9から主燃焼室4内に燃料着火源を放出することができる。
Further, according to the present embodiment, the ignition device ignites the
また本実施形態によれば、点火手段は点火プラグ7である。このため、容易に副室8内のガスに点火することができる。
また本実施形態によれば、リッチ成層混合気およびリーン成層混合気は、所定運転条件の時に形成される。このため、運転条件に応じて適切にリッチ成層混合気およびリーン成層混合気を形成できる。
According to the present embodiment, the ignition means is the
Further, according to the present embodiment, the rich stratified gas mixture and the lean stratified gas mixture are formed under predetermined operating conditions. For this reason, a rich stratified gas mixture and a lean stratified gas mixture can be appropriately formed according to the operating conditions.
また本実施形態によれば、所定運転条件は、中負荷から高負荷時である。このため、この運転負荷レベルでの運転ができ、異常急速燃焼やプレイグニッションを抑制できる。また、この運転負荷レベル未満において成層混合気を形成していない時に対し、中負荷から高負荷時ではポンプロスによる負の仕事が低減するため、未燃成分の排出も低減できる。
また本実施形態によれば、燃料噴射弁6は、吸気行程後期から圧縮行程中期の間に燃料の早期噴射を行い、その後の圧縮行程中期から圧縮行程後期の間に燃料の後期噴射を行う。このため、早期噴射により主燃焼室4内にリーンな成層混合気を形成でき、後期噴射により主燃焼室4内にて着火装置の燃料着火源放出部から離れた位置にリッチ成層混合気を形成することができる。
Further, according to the present embodiment, the predetermined operation condition is from a medium load to a high load. For this reason, the driving | running | working at this driving | running load level can be performed, and abnormal rapid combustion and preignition can be suppressed. In addition, when no stratified mixture is formed below this operating load level, negative work due to pump loss is reduced at medium to high loads, so that unburned component emissions can also be reduced.
Further, according to the present embodiment, the
また本実施形態によれば、燃料噴射弁6は、所定運転条件が高負荷である時に、吸気行程中に燃料の早期噴射を行い、主燃焼室4全体にリーンな混合気を形成する。このため、主燃焼室4内全体に成層混合気を形成でき、着火装置による着火を行った際に主燃焼室4全体で完全燃焼を行うことができる。
また本実施形態によれば、燃料噴射弁6は、圧縮行程中に燃料の後期噴射を行う。このため、主燃焼室4内において着火手段の燃料着火源放出部から離れた位置にリッチな成層混合気を形成することができる。
Further, according to the present embodiment, the
Further, according to the present embodiment, the
また本実施形態によれば、燃料噴射弁6は、負荷の増大に伴い、早期噴射の噴射時期を進角する。このため、リッチな成層混合気が着火装置の燃料着火源放出部へ移動することを防止できる。
また本実施形態によれば、燃料噴射弁6は、負荷の増大に伴い、後期噴射の噴射時期を遅角する。このため、着火装置の燃料着火源放出部近傍のリーン混合気の均一性が高まり、比較的NOxの少ない燃焼が実現できる。
Further, according to the present embodiment, the
Further, according to the present embodiment, the
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。
本実施形態は、触媒昇温要求時に、図3(B)(III)に示すようなリーンな成層混合気およびリッチな成層混合気を形成する制御を行うものであり、図7のフローチャートに従ってなされる。
ステップ1(図では「S1」と示す。以下同様)では、触媒13の昇温要求時、すなわち触媒13が活性化しているか否かを判定する。この判定は、例えば触媒13の温度を検出する温度センサ14により触媒温度を検出し、触媒温度が所定温度以上である場合に触媒13が活性しているとする。なお、触媒温度センサを有しない場合は、冷却水温ならびに始動後サイクル数に基づいて触媒の活性を判定したり、または、低負荷領域の連続運転の経過時間などから現時点の触媒温度を推測して触媒13の活性を判定したりする。
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
The present embodiment performs control to form a lean stratified gas mixture and a rich stratified gas mixture as shown in FIGS. 3 (B) and (III) at the time of the catalyst temperature increase request, and is performed according to the flowchart of FIG. The
In step 1 (shown as “S1” in the figure, the same applies hereinafter), it is determined whether or not the temperature of the
ステップ1にて、触媒13の昇温要求時、すなわち、触媒13が非活性状態であると判定した場合には、ステップ2へ進む。一方、触媒13が活性状態であると判定した場合には、ステップ3へ進む。
ステップ2では、触媒昇温要求制御として、図3(B)(III)に示すようにリッチな成層混合気がピストン側壁部5cのシリンダ軸方向上側に形成されるように燃料噴射弁6の燃料噴射時期および燃料噴射量を制御する一方、副室8内の点火プラグ7の点火により副室8の連通路9から主燃焼室4内に略柱状の噴出火炎(燃料着火源)を形成することで、主燃焼室4内で燃焼を行う。
If it is determined in
In
触媒昇温要求制御では、中〜高負荷領域において圧縮行程早期に燃料噴射弁6から総燃料噴射量の一部の燃料を噴射する早期噴射を行う。
これにより、吸気行程後期から圧縮行程中期(または圧縮行程前期)の間に噴射された燃料は、キャビティ底部5bに衝突後し、噴霧の運動量により、周囲空気を巻き込みながらキャビティ側壁部5cからシリンダ軸方向上側へ誘導され、キャビティ5a内及びその上空に略均一な成層リーン混合気を形成する(図5(III))。そして、着火装置の燃料着火源放出部近傍にはリーンな成層混合気を形成し、異常急速燃焼やプレイグニッションの発生を抑制すると共に、燃料着火源放出部近傍から離れた位置にはリッチな成層混合気を形成し、着火装置から放出される燃料着火源により着火を行うため、燃料噴射量が多い運転条件においても安定した運転ができる。
In the catalyst temperature increase request control, early injection in which a part of the total fuel injection amount is injected from the
As a result, the fuel injected between the latter half of the intake stroke and the middle half of the compression stroke (or the first half of the compression stroke) collides with the
また、早期噴射の噴射時期は、副室8の連通路9の近傍におけるリーンな混合気の均一性を高め、NOxの少ない燃焼を実現するため、エンジン負荷の増大に伴い進角する。その後、圧縮行程中期から圧縮行程後期の間に、キャビティ5a内に燃料の後期噴射を行う(図5(III))。
そして、後期噴射で噴射された燃料によるリッチ混合気が、キャビティ側壁部5cからシリンダヘッドの内壁へ導かれ、副室8側へ誘導される前に、副室8の連通路9から略柱状の噴出火炎を形成する(図5(d))。これにより、ピストン5のキャビティ側壁部5cのシリンダ軸方向上側に形成されたリッチな成層混合気に、副室8からの略柱状の噴出火炎により着火がされ燃焼が行われる。
Further, the injection timing of the early injection is advanced as the engine load increases in order to improve the uniformity of the lean air-fuel mixture in the vicinity of the
Then, before the rich air-fuel mixture injected by the fuel injected in the late injection is guided from the cavity
更に、キャビティ側壁部5cの上側に形成された中空円筒状のリッチな成層混合気の外側においては、シリンダ壁流が低減するため未燃HCの排出も低減する。また、燃焼効率を落とすために、点火時期は通常運転時よりも遅角側に設定される。
ステップ3では、通常制御へ移行する。
本実施形態によれば、排気通路11に配置された排気浄化触媒13の昇温要求時(ステップ1)に、リッチ成層混合気およびリーン成層混合気を形成する。このため、触媒13の昇温要求時には、排気ガス温度を上昇させて噴射された燃料の多くをHCやCOなどの排気未燃焼成分とし排気通路11内に排出し、燃焼効率を落とした燃焼制御を行うが、この場合、仮に機関低負荷時においても通常運転時に対し相対的に、総燃料噴射量が増大するため、主燃焼室4全体、すなわち着火装置の燃料着火源放出部から離れた位置における混合気の濃度が相対的にリッチとなるが、本構成では、それに伴う異常急速燃焼やプレイグニッションの発生を抑制することができる。
Further, outside the rich stratified mixture in a hollow cylindrical shape formed on the upper side of the cavity
In
According to the present embodiment, the rich stratified air-fuel mixture and the lean stratified air-fuel mixture are formed when a temperature increase request is made for the
1 エンジン
4 主燃焼室
5 ピストン
5a キャビティ
5b 底部
5c 側壁部
6 燃料噴射弁
7 点火プラグ
8 副室
9 連通路
13 触媒
14 温度センサ
17 燃料ポンプ
20 ECU
DESCRIPTION OF
Claims (8)
燃焼室の略中央に配置され、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
この燃料噴射弁の近傍に配置され、連通路を通して前記燃焼室内に燃料着火源となる火炎を放出して、前記燃焼室内の混合気に着火する副室式の着火装置と、
前記燃料噴射弁の噴射時期および前記着火装置の着火時期を制御するコントロールユニットと、
を備える内燃機関において、
機関の中・高負荷域では前記燃料噴射弁から早期噴射と後期噴射との分割噴射を行い、前記早期噴射によって前記キャビティ内およびその上空あるいは前記燃焼室全体にリーンな混合気を形成するとともに、前記キャビティへ向かって噴射する前記後期噴射によって前記キャビティの側壁部に沿って上方へ円筒状に立ち上がる局部的にリッチな混合気を形成するように構成し、
さらに、前記着火装置の連通路を、平面視において前記キャビティの内周側に配置し、かつ、前記後期噴射によって形成される局部的にリッチな混合気が前記着火装置の連通路に達する前に前記着火装置による着火を行うことを特徴とする内燃機関。 A cavity provided in the piston crown surface;
A fuel injection valve that is disposed substantially in the center of the combustion chamber and directly injects fuel into the combustion chamber;
A sub-chamber ignition device that is disposed in the vicinity of the fuel injection valve, emits a flame serving as a fuel ignition source into the combustion chamber through the communication passage, and ignites the air-fuel mixture in the combustion chamber ;
A control unit for controlling the injection timing of the fuel injection valve and the ignition timing of the ignition device;
An internal combustion engine comprising:
In the middle and high load range of the engine, split injection of early injection and late injection is performed from the fuel injection valve, and the early injection forms a lean air-fuel mixture in the cavity and above or in the entire combustion chamber, It is configured to form a locally rich air-fuel mixture that rises cylindrically upward along the side wall of the cavity by the late injection that is injected toward the cavity,
Further, the communication path of the ignition device is disposed on the inner peripheral side of the cavity in plan view, and before the locally rich air-fuel mixture formed by the late injection reaches the communication path of the ignition device An internal combustion engine that performs ignition by the ignition device .
前記燃焼室と前記連通路を介して連通する副室と、
該副室内のガスに点火する点火手段と、
を含んで構成されることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関。 The ignition device is
A sub-chamber which communicates through said communication passage and said combustion chamber,
And ignition means you point the fire in the sub-chamber of a gas,
The internal combustion engine according to claim 1, comprising:
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