JP5216696B2 - 筒内噴射エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、筒内噴射エンジンの制御装置に関する。

燃焼室に流入する空気によって生成される空気流動を、ピストン冠面に設けた凹部によって圧縮行程後期まで維持することで空気と燃料の混合を図る技術が特許文献１に開示されている。

特開平１０−８９６８号公報

筒内噴射エンジンでは燃料と空気が燃焼室に対して別々に供給されるため、ポート噴射エンジンに比べて点火時期の混合気分布が不均一になりやすく、全負荷運転条件では熱効率の悪化や煤排出量が多いといった課題がある。

従来方式では吸気弁から流入した空気によって燃焼室内に一つの大きな渦を生成し、その渦を強化または渦の保存性を良くすることによって混合気の均質性向上を図っている。１つの大きな渦で攪拌しようとする場合、混合気が均一化に要する時間が長く、且つ生成された空気流動は圧縮行程になると大きく減衰するため、高い混合気均質性を得ることが難しかった。

発明者らは、混合気を均一化させるために、吸気行程で吸気弁の隙間から流入する強い空気流動を利用することを考えた。その方法は、従来のように大きな１つの渦に頼る方式でなく、ピストンの冠面に設けた突出部の段差によって吸気弁から流入した強い空気流動を上昇流に変えることで燃焼室内に小さな渦を複数形成し、その複数の小さな渦に向けて燃料を噴射してそれぞれの渦で混合気をかき混ぜることで混合気均質性を高くすることを特徴としている。

請求項１記載の発明は、燃焼室の一部を形成するピストンと燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁とを備えた筒内噴射エンジンの制御装置において、ピストンの冠面は、中央部と周縁部とを分ける突出部を有し、制御装置は、吸気行程中でかつ、燃料噴射が終了する時点で燃料噴射弁による燃料噴霧の方向が周縁部又はその上方を指向するように、燃料噴射弁による燃料噴射時期を設定することを特徴とする筒内噴射エンジンの制御装置である。これにより、ピストンの周縁部の上方に生成される渦が燃料を攪拌することができ、渦内に均質な混合気を形成することが可能となる。ここで、突出部は少なくともピストンの周縁部に対して突出している必要がある。突出部と周辺部とで形成される段差により、吸気行程において、燃焼室内の周辺部上方に渦が生成されるからである。

請求項２記載の発明は、中央部には、突出部に対して凹んだ凹部が形成されることを特徴とする請求項１記載の筒内噴射エンジンの制御装置である。

請求項３記載の発明は、突出部からシリンダ壁面の距離が、吸気側よりも排気側の方が長くなっていることを特徴とする請求項１記載の筒内噴射エンジンの制御装置である。吸気弁から離れるにつれて流れの幅が広がる空気流動に対し、吸気弁から遠い排気側の段差においても空気流動を上昇流に変えて渦を生成することが可能となる。

請求項４記載の発明は、吸気行程に噴射される燃料噴射時期を、吸気行程のピストン上死点後から１２０度までの間に設定することを特徴とする請求項１記載の筒内噴射エンジンの制御装置である。これにより、ピストン下降により生じる強い空気流動で燃料の均質化を図ることができる。

請求項５記載の発明は、ピストンの中央部と周縁部とが繋がるように突出部に切り欠きを設けることを特徴とする請求項１記載の筒内噴射エンジンの制御装置である。これにより中央部近傍に空気流動が流入することで混合気が拡散され、中央部近傍での過濃な混合気の生成を抑制することができる。

本発明によれば、燃焼室に流入される空気流動を突出部の存在により上昇流に変えて複数の渦を生成し、吸気行程において突出部の外側に存在する周縁部又はその上方に向けて燃料を噴射することで、段差によって生成された渦に燃料が攪拌される。この渦は回転半径が小さく、且つ吸気行程中に生成される空気流動の流速は高いことから混合気が渦によって均一され、燃焼室内に形成することができる。これによって熱効率の向上と煤の低減を図ることができる。

筒内噴射エンジンの構成を示す図。 実施例１におけるピストン形状を示す図。 実施例１におけるエンジン側面からみた燃料噴射方向を示す図。 実施例１におけるエンジン正面からみた燃料噴射方向を示す図。 数値シミュレーションによる燃焼室内の空気の運動エネルギを示すグラフ。 実施例１における吸気行程初期の空気流動を示す図。 実施例１における吸気行程初期の空気流動を示す図。 実施例１における燃料噴射直後の様子を示す図。 実施例１における燃料噴射直後の様子を示す図。 実施例１における吸気行程中期の様子を示す図。 実施例１における吸気行程中期の様子を示す図。 実施例１における圧縮行程の様子を示す図。 実施例２におけるピストン形状を示す図。 実施例２における燃料噴霧とピストンとの位置関係を示す図。 実施例２における吸気行程初期の空気流動を示す図。 実施例２における吸気行程初期の空気流動を示す図。 実施例２における燃料噴射直後の様子を示す図。 実施例２における燃料噴射直後の様子を示す図。 実施例２における吸気行程中期の様子を示す図。 実施例２における吸気行程中期の様子を示す図。 実施例３におけるピストン形状を示す図。 実施例３におけるピストンの特徴を示す図。 実施例４における燃料噴霧とピストンとの位置関係を示す図。 実施例４における燃料噴霧とピストンの位置関係を示す図。

本実施例における筒内噴射エンジンの構成を図１に示す。

シリンダヘッド１とシリンダブロック２、そしてシリンダブロック２に挿入されたピストン３により燃焼室が形成され、燃焼室の中心上部に点火プラグ４が設けられている。燃焼室に吸気管５と排気管６がそれぞれ開口しており、開口部を開閉する吸気弁７と排気弁８が設けられている。排気弁と吸気弁は一般に用いられているカム動作方式となっており、排気弁は上死点閉じ、吸気弁は上死点開きとしている。

燃焼室の吸気側には燃焼室に直接燃料が噴射できるように燃料噴射弁９が設けられる。ピストン３はコンロッド１０を介してクランク軸１１と連結されており、クランク角センサ１２によりエンジン回転数を算出できる。吸気管の上流にはコレクタ１３が接続されており、スロットル弁１４によって吸入する新気の量（吸入空気量）を調節できる。スロットル弁はアクセル（図示しない）の踏み込み量に応じて動作し、踏み込み量が多いほど開度が大きくなるように設定されている。実施例における各図では簡略のため１気筒のみの記述だが、本実施例は１気筒５００cc、圧縮比１１の４気筒エンジンでコレクタから各気筒に空気が分配される。つまり、発明の趣旨は、多気筒であるか単気筒であるかを問わない。

第１の実施例で用いているピストン形状を図２に示す。ピストン中央に円筒状で高さ５mmの突出部があり、その突出部の中央にはＲ３５の凹部１５が設けられている。突出部の周囲はＲ５の段差１６になっている。段差１６には４つの切り欠き部１７があり、段差１６の外側に形成されるピストン周縁部１８と凹部１５が切り欠き部１７により繋がっている。この切り欠き部１７があることで凹部１５に入った燃料が空気流動に押し出されて過濃な混合気による煤の発生を抑制する。

燃料噴射弁９から噴射される燃料噴霧１９の形状と、燃料噴射終了時期でのピストン３と噴霧との位置関係を図３，図４に示す。燃料噴射弁９の先端に４つの噴孔が設けられ、４本の燃料噴霧１９が噴射される。図では４本の噴霧を同時に表示すると分かりにくくなるため、分割して表示している。図３はシリンダ中心断面上に存在する２本の噴霧を、図４は残り２本の噴霧をエンジン正面から見たときの様子を表す。燃料噴霧１９は段差１６の外側に位置する周縁部１８を狙っており、燃料噴霧１９の進行方向と、噴射終了時期におけるピストン３の位置で決定される交点Ｐが、段差１６の外側となっている。

クランク角度に対する筒内ガス運動エネルギの変化示す数値シミュレーション結果を図５に示す。縦軸はＥ＝１／２mv²で計算される燃焼室内の空気の運動エネルギを表す。吸気行程開始により吸気弁７が開き、ピストン３が下降して燃焼室内に空気が吸入されることで運動エネルギが増加していく様子が分かる。上死点付近ではピストン３の下降速度は低いため運動エネルギは小さいが、時間の経過に従ってピストン速度は上昇するため運動エネルギが大きくなっていく。ピストン移動速度が最大となる９０〜１００degＡＴＤＣ付近で運動エネルギも最大となり、それ以後は小さくなっている。この結果から、燃料噴射終了時期は、筒内ガスの運動量エネルギが強い１２０degＡＴＤＣよりも前に設定することが望ましい。本実施例では１００degＡＴＤＣを噴射終了時期とする。

第１の実施例の動作を説明する。エンジン回転数２０００ｒ／min、スロットル弁１４が全開の高負荷条件である。運転空燃比は１２に設定され、吸入空気量と空燃比から燃料噴射量が決定される。燃料噴射終了時期は１００degＡＴＤＣとし、燃料噴射量と燃料圧力の関係から噴射期間が計算され、噴射開始時期が設定される。

燃料噴射前の吸気行程初期における筒内の空気流動の様子を図６，図７に示す。図６は横からシリンダ中心断面を見た様子を、図７は正面からシリンダ中心断面を見た様子を表している。

吸気弁７が開きピストン３が下降することで吸気管の開口部から燃焼室に流入する空気流動２０が生成される。空気流動２０は吸気弁７の傘部に沿って流入するため、開口部から流入した空気流動はシリンダ壁面に沿って流れる（図６）。図７に示すように吸気弁７は一つのシリンダに２つ設置されている。２つの吸気弁が向き合う側から流入する空気は、互いの流れが中心部で衝突し、燃焼室中央に向かう空気流動２１となる。シリンダ壁面に沿って下降した空気流動２０はピストン３の冠面に衝突するが、段差１６に沿って上昇流に変えられ渦を生成する。この渦は従来のような燃焼室全域に回転する渦よりも回転半径が小さく、角速度の大きな渦であることが大きな特徴である。なお、上昇流を生成するには４mm以上の高さを持つ段差形状が望ましく、特に段差１６の上側先端の接線方向がピストン平面に対し上方向へ４５度以上の勾配を持っていることが重要である。なお、中心部の凹部１５も円弧状となっているため空気流動２１が渦を形成し、空気流動２０の上昇流形成を手助けする役目を果たす。

燃料噴射後の吸気行程中期における筒内の空気流動の様子を図８，図９に示す。図８は横からシリンダ中心断面を見た様子を、図９は正面からシリンダ中心断面を見た様子を表している。

吸気行程中期ではピストン下降速度が大きく、生成される空気流動２０は吸気行程初期よりも強い。そのため吸気行程初期よりもピストン３位置が下がっていても渦は崩壊せず回転を続ける。燃料噴霧１９は、燃料噴射終了時期においてピストン３の周縁部１８にそれぞれ指向するように噴射しているため、ピストン周縁部１８の上方に生成される渦によって撹拌される。なお、本実施例においても燃料噴霧の一部を凹部１５に向けて噴射しても発明効果を得ることはできる。

図８，図９に対しクランク角度で２０deg程度経過した時の燃料の分布を図１０，図１１に示す。

燃料噴射弁９から噴射された燃料は空気流動２０で生成される渦によって攪拌され、それぞれの渦内に混合気２２を形成する。渦の回転半径が小さく且つ流れが速いため短期間で渦内に拡散し、均質な混合気を形成することができる。

吸気弁７が閉じた圧縮行程初期での筒内の空気流動と燃料分布を図１２に示す。吸気弁が閉じ燃焼室内への空気の流入が無くなったため空気流動２０は渦を形成できなくなり、燃焼室内の空気流動はやがて１つの渦２３に集約される。この渦２３は吸気管５によって生じる遠心力で生成されるもので、吸気行程の流れに比べると非常に弱い流れであるが、空気流動２０で均質化された混合気を１つに纏める程度の流速はもっており、この渦２３によって燃焼室中心部を含めた全域に均一な混合気を形成することができる。

第２の実施例で用いるピストン形状を図１３に示す。図２との違いは、凹部１５が周辺部１８の吸気側と排気側とを繋ぐようにピストン３の中央部に形成される突出部を貫通している点である。段差１６の形状は実施例１と比べて変更していない。この凹部１５形状は、周縁部１８に生成される空気流動とは別に、燃焼室中心部に生成される縦渦の保存性を高め、圧縮行程での混合気拡散を良くすることを狙っている。

燃料噴霧の進行方向と、燃料噴射終了時期におけるピストン３の位置との交点Ｐの位置を図１４に示す。第２の実施例では燃料は５本の噴霧となっており、４本を周縁部１８に、１本を凹部１５に向けている。１本を凹部１５に向けている狙いは、第１の実施例では圧縮行程で周縁部の渦で攪拌された混合気を１つに合流させることで燃焼室内全域に均一な混合気を形成するが、燃焼室中心部に混合気が存在しないため、点火時期において中心部の混合気濃度が若干薄くなることを補うものである。本実施例では燃焼室中心部に生成される縦渦の保存性を凹部１５によって高めていることから、吸気行程においても凹部１５に向けて燃料を噴射し拡散させることで、第１に実施例に比べ燃焼室全体での混合気均質度を高めることができる。

第２の実施例の動作を説明する。運転条件は実施例１と同じとする。燃料噴射前の吸気行程初期における筒内の空気流動の様子を図１５，図１６に示す。図１５は横からシリンダ中心断面を見た様子を、図１６は正面からシリンダ中心断面を見た様子を表している。

図１５において第１の実施例である図６と異なる点は、凹部１５がピストンの中心を通ってＤ−Ｄ方向（吸気側から排気側）に突出部を貫通しているために吸気側と排気側の周縁部１８には段差が無く上昇流が生成されにくい点である。一方、ピストン３の中央にある凹部１５には空気流動２１が生成される。図中では、シリンダヘッドに沿って上側を流れた後、排気側を通り、右側から中央に向かって流れる流れが強くなっている。これは、吸気管５が傾けて取り付けられているため遠心力によって生じる現象である。図１６では左右にそれぞれ段差１６があり、実施例１と同様に空気流動２０によって渦が生成される。

燃料噴射後の吸気行程中期における筒内の空気流動の様子を図１７，図１８に示す。図１７は横からシリンダ中心断面を見た様子を、図１８は正面からシリンダ中心断面を見た様子を表している。実施例１と異なる点は、燃料噴霧の一部がピストン３の凹部１５を指向している点である。

図１７，図１８に対しクランク角度で２０deg程度経過した時（吸気行程中期）の燃料の分布を図１９，図２０に示す。

周縁部１８に向けて噴射された燃料は実施例１と同様に空気流動２０で生成される渦によって攪拌され、それぞれの渦内に混合気２２を形成する。渦の回転半径が小さく且つ流れが速いため短期間で渦内に拡散し、均質な混合気を形成することができる。

凹部１５に向けて噴射された燃料は中心部に混合気を形成する。凹部の空気流動２１は周縁部１８の空気流動２０に比べ弱いが、縦渦の保存性が良いため実施例１よりも圧縮行程での混合気攪拌効果が高い。そのため圧縮行程において凹部１５と周縁部１８の混合気をより均一化することができる。

第３の実施例におけるピストンの形状を図２１に、段差と吸気弁の位置関係を図２２に示す。

本実施例の特徴は、周縁部１８の幅Ｌを、吸気側Ｌ１に対し排気側Ｌ２が長くなるようにしている点である。排気側の周縁部１８の幅Ｌ２を広くしている理由は、吸気弁７と吸気管５との隙間の幅は吸気側と排気側とで同じであるが、吸気管５の開口部から流入する空気流動の幅ｔは徐々に広がり、吸気弁７から段差１６までの距離Ｘが長い排気側の方が、空気流動の幅ｔ２が広くなるためである。

排気側の周縁部１８の幅Ｌ２を広くしていることで、空気流動の幅ｔ２が広くなっても空気流動を上昇流に変え渦を生成することが可能となる。

第４の実施例におけるピストン３と燃料噴霧１９の位置関係を図２３，図２４に示す。本実施例での特徴は、コーン（三角錐）状の燃料噴霧を用いていることである。燃料噴射終了時期において燃料噴霧１９が指向する領域が、段差１６外側の周縁部１８（領域Ｄ）又はその上方となるように燃料噴射時期を設定する。このように噴霧を決定することで実施例１と同様に、周縁部１８に生成される空気流動によって均一な混合気を形成することができる。

１ シリンダヘッド
２ シリンダブロック
３ ピストン
４ 点火プラグ
５ 吸気管
６ 排気管
７ 吸気弁
８ 排気弁
９ 燃料噴射弁
１０ コンロッド
１１ クランク軸
１２ クランク角センサ
１３ コレクタ
１４ スロットル弁
１５ 凹部
１６ 段差
１７ 切り欠き部
１８ 周縁部
１９ 燃料噴霧
２０，２１ 空気流動
２２ 混合気
２３ 渦

Claims (2)

1. 燃焼室の一部を形成するピストンと前記燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁とを備えた筒内噴射エンジンの制御装置において、
   前記ピストンの冠面は、中央部と周縁部とを分ける突出部を有し、
   前記中央部には、前記突出部に対して凹んだ凹部が形成され、
   前記凹部と前記周縁部とが繋がるように前記突出部に切り欠きを設け、
   前記制御装置は、吸気行程中でかつ、燃料噴射が終了する時点で前記燃料噴射弁による燃料噴霧の方向が前記周縁部又はその上方を指向するように、前記燃料噴射弁による燃料噴射時期を設定し、吸気行程に噴射される燃料噴射時期を、吸気行程のピストン上死点後から１２０度までの間に設定され、
   前記突出部からシリンダ壁面の距離が、吸気側よりも排気側の方が長くなっていることを特徴とする請求項１記載の筒内噴射エンジンの制御装置。
2. 前記凹部は、吸気側の周縁部と排気側の周縁部とを繋ぐように前記突出部を貫通することを特徴とする請求項１記載の筒内噴射エンジンの制御装置。

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