JP5737103B2 - Carbon removal method and spark ignition direct injection engine - Google Patents
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Description
本発明は、カーボン除去方法及び火花点火式直噴エンジンに関する技術分野に属する。 The present invention belongs to the technical field of mosquito Bon removal method and direct-injection spark-ignition engine.
例えば特許文献1には、火花点火式ガソリンエンジンの理論熱効率を高めるべく、シリンダヘッド下面に凹陥したキャビティと、ピストン冠面に凸設した突起部と、によって、燃焼室内を中央燃焼室と主燃焼室とに区画しつつ、燃焼室全体として、圧縮比を16程度の高圧縮比に設定すると共に、中央燃焼室内では混合気を相対的にリッチに、主燃焼室内では混合気を相対的にリーンにすることで、燃焼室全体として、混合気をリーンにしたエンジンが記載されている。 For example, in Patent Document 1, in order to increase the theoretical thermal efficiency of a spark-ignition gasoline engine, a cavity recessed in the lower surface of the cylinder head and a protrusion projecting from the piston crown surface form a central combustion chamber and a main combustion chamber. The combustion chamber as a whole is set to a compression ratio as high as about 16, and the air-fuel mixture is relatively rich in the central combustion chamber, and the air-fuel mixture is relatively lean in the main combustion chamber. Thus, an engine having a lean air-fuel mixture is described for the entire combustion chamber.
また、例えば特許文献2には、冷却損失を低減させて熱効率を向上させる観点から、エンジンの燃焼室を区画形成する面を、母材よりも低い熱伝導率を有しかつ母材よりも低い又は母材とほぼ同等の単位体積あたりの熱容量を有する材料の内部に気泡が多数形成された断熱材によって構成する技術が開示されている。この特許文献2のエンジンの圧縮比は16とされている。 Further, for example, in Patent Document 2, from the viewpoint of reducing cooling loss and improving thermal efficiency, a surface that forms a combustion chamber of an engine has a lower thermal conductivity than the base material and is lower than the base material. Alternatively, a technique is disclosed that is constituted by a heat insulating material in which a large number of bubbles are formed inside a material having a heat capacity per unit volume substantially equal to that of the base material. The compression ratio of the engine of this Patent Document 2 is 16.
ところで、火花点火式エンジンの理論サイクルであるオットーサイクルにおいては、エンジンの圧縮比を高めれば高めるほど、また、ガスの比熱比を高めれば高めるほど、理論熱効率が高くなる。このため、特許文献1に記載されているような高圧縮比化と混合気のリーン化との組み合わせは、熱効率(図示熱効率)の向上に、ある程度は有利になる。しかし、この場合、圧縮比15程度で図示熱効率が最大になり、それ以上に圧縮比を高めても、図示熱効率は高くならない(逆に、圧縮比を高めれば高めるほど、図示熱効率が低くなる)。これは、混合気がリーンであるため比較的大量の空気がシリンダ内に導入される一方で、そのシリンダ内の大量の空気が、高圧縮比化に伴い大きく圧縮されて燃焼圧力及び燃焼温度が大幅に高くなってしまうためである。つまり、高い燃焼圧力及び燃焼温度によってシリンダの壁面等を通じた熱の放出量が増え、冷却損失が大幅に増大する結果、図示熱効率が低くなってしまうのである。 By the way, in the Otto cycle, which is the theoretical cycle of a spark ignition engine, the theoretical thermal efficiency increases as the compression ratio of the engine increases and as the specific heat ratio of the gas increases. For this reason, the combination of a high compression ratio and lean air-fuel mixture as described in Patent Document 1 is advantageous to some extent for improving thermal efficiency (illustration thermal efficiency). However, in this case, the illustrated thermal efficiency is maximized at a compression ratio of about 15, and even if the compression ratio is increased further, the illustrated thermal efficiency does not increase (inversely, the higher the compression ratio is, the lower the illustrated thermal efficiency is). . This is because, since the air-fuel mixture is lean, a relatively large amount of air is introduced into the cylinder. On the other hand, a large amount of air in the cylinder is greatly compressed as the compression ratio increases, and the combustion pressure and temperature are reduced. This is because it becomes significantly higher. That is, the amount of heat released through the cylinder wall and the like is increased by a high combustion pressure and combustion temperature, and the cooling loss is greatly increased. As a result, the illustrated thermal efficiency is lowered.
この点に関して、燃焼室壁面部に、特許文献2に記載されているような、低熱伝導率でかつ低容積比熱の断熱層を設けることよって、燃焼室の断熱化を行うようにすれば、冷却損失を低減することができ、高圧縮比による図示熱効率の向上化を図れる可能性が高くなる。 In this regard, if the combustion chamber is insulated by providing a heat insulation layer having a low thermal conductivity and a low volume specific heat as described in Patent Document 2 on the wall surface of the combustion chamber, Loss can be reduced, and there is a high possibility that the illustrated thermal efficiency can be improved by a high compression ratio.
ここで、圧縮比を高くする場合、上記断熱層に加えて、又は上記断熱層に代えて、吸気温度を低くしておいて、燃焼時のガス温度を出来る限り低下させるようにすれば、ガス温度と燃焼室壁面部の温度との差温を小さくして、冷却損失を低減することができて好ましい。このように吸気温度を低下させるには、シリンダヘッドの吸気ポートや吸気弁における傘部の裏側部分(バルブステムを含む)にも断熱層を設けて、吸気がシリンダヘッドや吸気弁から受熱しないようにすることが好ましい。 Here, in the case of increasing the compression ratio, in addition to the heat insulating layer or instead of the heat insulating layer, if the intake air temperature is lowered and the gas temperature during combustion is lowered as much as possible, the gas It is preferable because the difference in temperature between the temperature and the temperature of the wall surface of the combustion chamber can be reduced to reduce the cooling loss. In order to lower the intake air temperature in this way, a heat insulating layer is also provided on the back side of the umbrella portion (including the valve stem) of the cylinder head intake port and intake valve so that the intake air does not receive heat from the cylinder head or intake valve. It is preferable to make it.
しかし、吸気弁における傘部の裏側部分には、バルブステムの上部から潤滑オイルが流れてくるため、その潤滑オイルが原因で、上記断熱層にはカーボンが堆積してしまう。このように上記断熱層にカーボンが堆積すると、吸入空気の通路面積を縮小するので、吸入空気の充填量が低下して、エンジン出力の低下を招く。 However, since lubricating oil flows from the upper part of the valve stem to the back side portion of the umbrella portion in the intake valve, carbon accumulates on the heat insulating layer due to the lubricating oil. When carbon is deposited on the heat insulating layer in this way, the passage area of the intake air is reduced, so that the amount of intake air charged is reduced and the engine output is reduced.
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、吸気弁における少なくとも傘部の裏側部分に設けられた断熱層にカーボンが堆積したとの判定を容易に行えるようにし、また、カーボンが堆積したとの判定を行った場合には、そのカーボンを容易に除去できるようにすることにある。 The present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to easily determine that carbon is deposited on a heat insulating layer provided at least on the back side of the umbrella portion of the intake valve. In addition, when it is determined that carbon is deposited, the carbon can be easily removed.
上記の目的を達成するために、この発明では、幾何学的圧縮比が18以上とされ、吸気弁における少なくとも傘部の裏側部分に、断熱層がコーティングされた火花点火式直噴エンジンにおいて、該断熱層に堆積したカーボンを除去するカーボン除去方法を対象として、所定回転数以上のエンジン回転数での累積運転時間を検出する累積運転時間検出ステップと、上記累積運転時間検出ステップにて検出された上記累積運転時間が所定時間を超えたときに、上記断熱層にカーボンが堆積したとの判定を行うカーボン堆積判定ステップと、上記カーボン堆積判定ステップにて上記断熱層にカーボンが堆積したとの判定を行った場合において、加速要求後のアクセル開度が所定開度以下の定常状態になったときに、吸気弁と排気弁との開弁期間のオーバーラップにより、吸気ポートに既燃ガスを導入することによって、上記断熱層に堆積したカーボンを焼去するカーボン焼去ステップとを含むものとする。 To achieve the above object, in this invention, it is a geometrical compression ratio is 18 or more, the rear portion of at least the valve head of the intake valve, the spark-ignition direct injection engine heat insulating layer is coated, targeting the decoking method for removing carbon deposited on the heat insulating layer, and the accumulated operation time detection step of detecting the cumulative operating time of a predetermined rotation number or more of the engine rotational speed is detected by the accumulated operation time detection step A carbon deposition determining step for determining that carbon is deposited on the heat insulating layer when the accumulated operation time exceeds a predetermined time; and carbon depositing on the heat insulating layer in the carbon deposition determining step. When the determination is made and the accelerator opening after the acceleration request is in a steady state equal to or less than the predetermined opening, the opening period of the intake valve and the exhaust valve is turned off. Burlap by, by introducing burned gas into the intake port, it is intended to include a carbon sintered removed by the step of tempering removed by the carbon deposited on the heat insulating layer.
このことにより、所定回転数以上のエンジン回転数での累積運転時間を検出して、該検出された上記累積運転時間が所定時間を超えたときに、断熱層にカーボンが堆積したとの判定を行う。すなわち、所定回転数以上のエンジン回転数では、吸気弁における傘部の裏側部分の温度が、カーボンが堆積し易くなるような温度になり、そのような回転数での累積運転時間が所定時間を超えれば、断熱層にカーボンが堆積しているはずであり、カーボンが堆積したとの判定を行うことができる。よって、断熱層にカーボンが堆積したとの判定を容易に行うことができる。 Thus , the cumulative operation time at the engine speed equal to or higher than the predetermined rotation speed is detected, and when the detected cumulative operation time exceeds the predetermined time, it is determined that carbon is deposited on the heat insulating layer. Do. That is, at an engine speed equal to or higher than a predetermined speed, the temperature of the back side portion of the umbrella portion of the intake valve becomes a temperature at which carbon is likely to accumulate, and the cumulative operation time at such speed is a predetermined time. If it exceeds, carbon should have accumulated in the heat insulation layer, and it can be determined that carbon has accumulated. Therefore, it can be easily determined that carbon is deposited on the heat insulating layer.
そして、断熱層にカーボンが堆積したとの判定を行った場合に、吸気弁における傘部の裏側部分の温度を、断熱層に堆積したカーボンを燃やすことができる程度に高温(300℃を超える温度)にすることができる。すなわち、加速要求に伴って燃焼室内のガス温度が高くなっており、その加速要求後における、吸気弁と排気弁との開弁期間のオーバーラップにより、上記高温のガスを吸気ポートへ逆流させることができ、これにより、吸気弁における傘部の裏側部分の温度が高くなって、断熱層に堆積したカーボンを容易に焼去することができる。こうして断熱層からカーボンを除去することで、カーボンの堆積による吸入空気の充填量の低下を抑制することができて、エンジン出力の低下を抑制することができる。また、断熱層により、吸気温度を低くして燃焼時のガス温度を出来る限り低下させることができ、ガス温度と燃焼室壁面部の温度との差温を小さくして、冷却損失を低減することが可能になる。これにより、18以上と高圧縮比にして図示熱効率を向上させることができる。 Then, when it is determined that carbon has accumulated on the heat insulating layer, the temperature of the back side portion of the umbrella portion in the intake valve is set to a temperature high enough to burn the carbon deposited on the heat insulating layer (temperature exceeding 300 ° C. ). That is, the gas temperature in the combustion chamber increases with the acceleration request, and the high-temperature gas is caused to flow back to the intake port due to the overlap of the valve opening period of the intake valve and the exhaust valve after the acceleration request. As a result, the temperature of the back side portion of the umbrella portion in the intake valve becomes high, and the carbon deposited on the heat insulating layer can be easily burned off. By removing carbon from the heat insulating layer in this way, it is possible to suppress a decrease in the amount of intake air charged due to carbon deposition, and it is possible to suppress a decrease in engine output. In addition, the heat insulation layer can lower the intake air temperature to reduce the gas temperature during combustion as much as possible, and reduce the difference between the gas temperature and the temperature of the combustion chamber wall surface to reduce the cooling loss. Is possible. Thereby, the illustrated thermal efficiency can be improved by setting the compression ratio to 18 or higher.
本発明の別の態様は、幾何学的圧縮比が18以上とされ、吸気弁における少なくとも傘部の裏側部分に、断熱層がコーティングされた火花点火式直噴エンジンの発明であり、この発明では、所定回転数以上のエンジン回転数での累積運転時間を検出する累積運転時間検出手段と、上記累積運転時間検出手段により検出された上記累積運転時間が所定時間を超えたときに、上記断熱層にカーボンが堆積したとの判定を行うカーボン堆積判定手段と、アクセル開度を検出するアクセル開度検出手段と、上記カーボン堆積判定手段により上記断熱層にカーボンが堆積したとの判定が行われた場合に、上記アクセル開度検出手段により、加速要求後の上記アクセル開度が所定開度以下の定常状態になったことが検出されたときに、吸気弁と排気弁との開弁期間のオーバーラップにより、吸気ポートに既燃ガスを導入することによって、上記断熱層に堆積したカーボンを焼去するカーボン焼去手段とを備えているものとする。 Another aspect of the present invention is a spark-ignition direct injection engine in which the geometric compression ratio is 18 or more and at least a back portion of the umbrella portion of the intake valve is coated with a heat insulating layer. A cumulative operating time detecting means for detecting a cumulative operating time at an engine speed equal to or higher than a predetermined speed, and the heat insulation layer when the cumulative operating time detected by the cumulative operating time detecting means exceeds a predetermined time. The carbon deposition determining means for determining that carbon has been deposited on, the accelerator opening detecting means for detecting the accelerator opening, and the carbon deposition determining means determining that carbon has been deposited on the heat insulating layer. In this case, when it is detected by the accelerator opening detection means that the accelerator opening after the acceleration request is in a steady state equal to or less than a predetermined opening, the intake valve and the exhaust valve The overlap of the valve period, by introducing burned gas into the intake port, it is assumed that a carbon sintered removed by means of burn removed by the carbon deposited on the heat insulating layer.
この発明により、上記カーボン除去方法の発明と同様に、断熱層にカーボンが堆積したとの判定を容易に行うことができるとともに、断熱層に堆積したカーボンを容易に除去することができる。 This invention, similarly to the invention of the decoking process, it is possible to easily determine the carbon deposited on the insulation layer, it is possible to easily remove the carbon deposited on the sectional heat layer.
以上説明したように、本発明のカーボン除去方法によると、断熱層にカーボンが堆積したとの判定を容易に行うことができ、この判定を行った場合に、断熱層に堆積したカーボンを容易に除去することができる。さらに、本発明の火花点火式直噴エンジンによると、上記カーボン除去方法と同様の作用効果が得られる。 As described above, according to the decoking process of the present invention, the determination of carbon to the sectional heat layer is deposited can be easily performed, when performing this determination, facilitating carbon deposited on the heat insulating layer Can be removed. Furthermore, according to the spark ignition direct injection engine of the present invention, the same operational effects as those of the carbon removing method can be obtained.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施形態に係る火花点火式直噴エンジン1(以下、単にエンジン1という)を概略的に示す。本実施形態では、エンジン1は、エンジン本体に付随する様々なアクチュエータ、様々なセンサ、及び、該センサからの信号に基づきアクチュエータを制御するエンジン制御器100を含む。
FIG. 1 schematically shows a spark ignition direct injection engine 1 (hereinafter simply referred to as an engine 1) according to an embodiment of the present invention. In the present embodiment, the engine 1 includes various actuators attached to the engine body, various sensors, and an
エンジン1は、自動車等の車両に搭載され、その出力軸は、図示しないが、変速機を介して駆動輪に連結されている。エンジン1の出力が駆動輪に伝達されることによって、車両が推進する。エンジン1のエンジン本体は、シリンダブロック12と、その上に載置されるシリンダヘッド13とを備えており、シリンダブロック12の内部に複数のシリンダ11(気筒)が形成されている(図1では、1つのみ示す)。シリンダブロック12及びシリンダヘッド13の内部には、図示は省略するが、冷却水が流れるウォータージャケットが形成されている。
The engine 1 is mounted on a vehicle such as an automobile, and its output shaft is connected to drive wheels via a transmission, although not shown. The vehicle is propelled by the output of the engine 1 being transmitted to the drive wheels. The engine body of the engine 1 includes a
各シリンダ11内には、ピストン15が摺動自在にそれぞれ嵌挿されており、ピストン15は、シリンダ11及びシリンダヘッド13と共に燃焼室17を区画している。ピストン15の冠面の中心部には、凹状のキャビティ15aが形成されている。
A
図1には1つのみ示すが、シリンダ11毎に2つの吸気ポート18がシリンダヘッド13に形成され、それぞれがシリンダヘッド13の下面(燃焼室17の天井面)に開口することで燃焼室17に連通している。同様に、シリンダ11毎に2つの排気ポート19がシリンダヘッド13に形成され、それぞれがシリンダヘッド13の下面(燃焼室17の天井面)に開口することで燃焼室17に連通している。吸気ポート18は、シリンダ11内に導入される新気が流れる吸気通路(図示省略)に接続されている。吸気通路には、吸気流量を調整するスロットル弁20が介設しており、エンジン制御器100からの制御信号を受けて、スロットル弁20の開度が調整される。一方、排気ポート19は、各シリンダ11からの既燃ガス(排気ガス)が流れる排気通路(図示省略)に接続されている。排気通路には、図示は省略するが、1つ以上の触媒コンバータを有する排気ガス浄化システムが配置される。
Although only one is shown in FIG. 1, two
シリンダヘッド13には、吸気弁21及び排気弁22が、それぞれ吸気ポート18及び排気ポート19を燃焼室17から遮断(閉)することができるように配設されている。吸気弁21は、その傘部21aの裏側に設けられたバルブステム21bを介して吸気弁駆動機構により駆動され、排気弁22は、その傘部22aの裏側に設けられたバルブステム22bを介して排気弁駆動機構により駆動される。吸気弁21及び排気弁22は所定のタイミングで往復動して、それぞれ吸気ポート18及び排気ポート19を開閉し、シリンダ11内のガス交換を行う。吸気弁駆動機構及び排気弁駆動機構は、図示は省略するが、それぞれ、クランクシャフトに駆動連結された吸気カムシャフト及び排気カムシャフトを有し、これらのカムシャフトはクランクシャフトの回転と同期して回転する。また、少なくとも吸気弁駆動機構は、吸気カムシャフトの位相を所定の角度範囲内で連続的に変更可能な、液圧式又は機械式の位相可変機構(Variable Valve Timing:VVT)23を含んで構成されている。尚、VVT23と共に、弁リフト量を連続的に変更可能なリフト可変機構(CVVL(Continuous Variable ValveLift))を備えるようにしてもよい。
The
また、シリンダヘッド13には、点火プラグ31が配設されている。この点火プラグ31は、例えばねじ等の周知の構造によって、シリンダヘッド13に取付固定されている。点火プラグ31は、本実施形態では、シリンダ11の中心軸に対し、排気側に傾斜した状態で取付固定されており、その先端部(電極)は燃焼室17の天井部に臨んでいる。尚、点火プラグ31の配置はこれに限定されるものではない。そして、点火プラグ31は、点火システム32によって火花を発生する。点火システム32は、エンジン制御器100からの制御信号を受けて、点火プラグ31が所望の点火タイミングで火花を発生するよう、それに通電する。一例として、点火システム32はプラズマ発生回路を備え、点火プラグはプラズマ点火式のプラグとしてもよい。着火エネルギの高いプラズマ点火式のプラグの採用は、着火安定性を向上する上で有利になる。
A
シリンダヘッド13におけるシリンダ11の中心軸上には、燃焼室17内に燃料を直接噴射するインジェクタ33が配設されている。このインジェクタ33は、例えばブラケットを使用する等の周知の構造でシリンダヘッド13に取付固定されている。インジェクタ33の先端は、燃焼室17の天井部の中心に臨んでいる。尚、インジェクタ33の配置はこれに限定されるものではない。本実施形態では、インジェクタ33は、燃焼室内に燃料を噴射するノズル口を開閉する外開弁を有する、外開弁式のインジェクタである。この外開弁式のインジェクタでは、上記外開弁の、上記ノズル口を閉じた状態からのリフト量が大きいほど、ノズル口から燃焼室17内に噴射される燃料噴霧のペネトレーションが大きくなるので、燃料噴霧のペネトレーションの調整が容易になる。
An
燃料供給システム34は、インジェクタ33に燃料を供給する燃料供給系と、インジェクタ33を駆動する電気回路とを備えている。この電気回路は、エンジン制御器100からの制御信号を受けてインジェクタ33を作動させ、所定のタイミングで所望量の燃料を、燃焼室17内に噴射させる。
The
ここで、エンジン1の燃料は、本実施形態ではガソリンであるが、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよく、少なくともガソリンを含む燃料(液体燃料)であれば、どのような燃料であってもよい。 Here, the fuel of the engine 1 is gasoline in the present embodiment, but may be gasoline containing bioethanol or the like, and any fuel as long as it is a fuel (liquid fuel) containing at least gasoline. Also good.
エンジン制御器100は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行する中央演算処理装置(CPU)と、例えばRAMやROMにより構成されてプログラム及びデータを格納するメモリと、電気信号の入出力をする入出力(I/O)バスと、を備えている。
The
エンジン制御器100は、少なくとも、エアフローセンサ71からの吸気流量に関する信号、クランク角センサ72からのクランク角パルス信号、アクセル・ペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ73からのアクセル開度信号、及び、車速センサ74からの車速信号をそれぞれ受ける。エンジン制御器100は、これらの入力信号に基づいて、例えば、所望のスロットル開度信号、燃料噴射パルス、点火信号、バルブ位相角信号等といった、エンジン1の制御パラメーターを計算する。そして、エンジン制御器100は、それらの信号を、スロットル弁20(スロットル弁20を動かすスロットルアクチュエータ)、燃料供給システム34、点火システム32、VVT23等に出力する。
The
このエンジン1の幾何学的圧縮比εは、18以上とされている。幾何学的圧縮比εの上限値は40であることが好ましく、幾何学的圧縮比εとして特に好ましいのは、25以上35以下である。本実施形態では、エンジン1は圧縮比=膨張比となる構成から、高圧縮比と同時に、比較的高い膨張比を有するエンジン1でもある。尚、圧縮比≦膨張比となる構成(例えばアトキンソンサイクルや、ミラーサイクル)を採用してもよい。 The geometric compression ratio ε of the engine 1 is 18 or more. The upper limit value of the geometric compression ratio ε is preferably 40, and the geometric compression ratio ε is particularly preferably 25 or more and 35 or less. In the present embodiment, the engine 1 is also an engine 1 having a relatively high expansion ratio as well as a high compression ratio, because the compression ratio = expansion ratio. In addition, you may employ | adopt the structure (for example, Atkinson cycle and a mirror cycle) used as compression ratio <= expansion ratio.
燃焼室17は、図1に示すように、シリンダ11の壁面と、ピストン15の冠面と、シリンダヘッド13の下面(燃焼室17の天井面)と、吸気弁21及び排気弁22それぞれの傘部21a,22aの燃焼室側の面(下面)と、によって区画形成されている。そして、冷却損失を低減するべく、これらの各面部(つまり、燃焼室壁面部)に、断熱層61,62,63,64,65が設けられることによって、燃焼室17が断熱化されている。尚、以下において、これらの断熱層61〜65を総称する場合は、断熱層に符号「6」を付す場合がある。断熱層6は、燃焼室壁面部の全てに設けてもよいし、燃焼室壁面部の一部に設けてもよい。また、図例では、シリンダ壁面部の断熱層61は、ピストン15が上死点に位置した状態で、そのピストンリング14よりも上側の位置に設けられており、これにより断熱層61上をピストンリング14が摺動しない構成としている。但し、シリンダ壁面部の断熱層61はこの構成に限らず、断熱層61を下向きに延長することによって、ピストン15のストロークの全域、又は、その一部に断熱層61を設けてもよい。また、燃焼室17を直接区画する壁面部ではないが、吸気ポート18や排気ポート19における、燃焼室17の天井面側の開口近傍のポート壁面部に断熱層を設けてもよい。尚、図1に図示する各断熱層61〜65の厚みは実際の厚みを示すものではなく単なる例示であると共に、各面における断熱層の厚みの大小関係を示すものでもない。
As shown in FIG. 1, the
燃焼室17の断熱構造について、さらに詳細に説明する。燃焼室17の断熱構造は、上述の如く、燃焼室壁面部に設けた断熱層61〜65によって構成されるが、これらの断熱層61〜65は、燃焼室17内の燃焼ガスの熱が、燃焼室壁面部を通じて放出されることを抑制するため、燃焼室17を構成する金属製の母材よりも熱伝導率が低く設定される。ここで、シリンダ11の壁面部に設けた断熱層61については、シリンダブロック12が母材であり、ピストン15の冠面部に設けた断熱層62についてはピストン15が母材であり、シリンダヘッド13の下面部に設けた断熱層63については、シリンダヘッド13が母材であり、吸気弁21及び排気弁22それぞれのバルブヘッドの燃焼室側の面部に設けた断熱層64,65については、吸気弁21及び排気弁22がそれぞれ母材である。したがって、母材の材質は、シリンダブロック12、シリンダヘッド13及びピストン15については、アルミニウム合金や鋳鉄となり、吸気弁21及び排気弁22については、耐熱鋼や鋳鉄等となる。
The heat insulation structure of the
また、断熱層6は、冷却損失を低減する上で、母材よりも容積比熱が低く設定される。つまり、燃焼室17内のガス温度は燃焼サイクルの進行によって変動するが、燃焼室17の断熱構造を有しない従来のエンジンは、シリンダヘッドやシリンダブロック内に形成したウォータージャケット内を冷却水が流れることにより、燃焼室壁面部の温度は、燃焼サイクルの進行にかかわらず、概略一定に維持される。
Further, the
一方で、冷却損失は、冷却損失=熱伝達率×伝熱面積×(ガス温度−燃焼室壁面部の温度)によって決定されることから、ガス温度と燃焼室壁面部の温度との差温が大きくなればなるほど冷却損失は大きくなってしまう。冷却損失を抑制するためには、ガス温度と燃焼室壁面部の温度との差温は小さくすることが望ましいが、冷却水によって燃焼室壁面部の温度を概略一定に維持した場合、ガス温度の変動に伴い差温が大きくなることは避けられない。そこで、断熱層6の熱容量を小さくして、燃焼室壁面部の温度が、燃焼室17内のガス温度の変動に追従して変化するようにすることが好ましい。
On the other hand, since the cooling loss is determined by cooling loss = heat transfer coefficient × heat transfer area × (gas temperature−temperature of the combustion chamber wall surface portion), the difference temperature between the gas temperature and the temperature of the combustion chamber wall surface portion is The larger the value, the larger the cooling loss. In order to suppress the cooling loss, it is desirable to reduce the difference between the gas temperature and the temperature of the combustion chamber wall surface. However, if the temperature of the combustion chamber wall surface is maintained approximately constant by cooling water, It is unavoidable that the temperature difference increases with fluctuation. Therefore, it is preferable to reduce the heat capacity of the
また、本実施形態では、図1に示すように、吸気弁21の傘部21aの裏側部分(バルブステム21bを含む)にも、断熱層21cがコーティングされている。この断熱層21cは、上記断熱層6と同様に、母材よりも熱伝導率が低くかつ母材よりも容積比熱が低く設定されていて、例えば、母材上にZrO2等のセラミック材料をプラズマ溶射によってコーティングしたものである。このセラミック材料の中には、多数の気孔を含んでいてもよい。このようにすれば、その気孔率が大きいほど断熱層6の熱伝導率及び容積比熱を低くすることができる。尚、断熱層21cと断熱層6とが同じ材料で構成されていてもよい。
Moreover, in this embodiment, as shown in FIG. 1, the
上記断熱層21cにより、新気が燃焼室17内に吸い込まれる際、吸気弁21から受熱して温度が上がることを抑制乃至回避し得る。これによって、燃焼室17内に導入する新気の温度(圧縮前の初期のガス温度)が低くなるため、燃焼時のガス温度が低下し、ガス温度と燃焼室壁面部の温度との差温を小さくする上で有利になる。燃焼時のガス温度を低下させることは熱伝達率を低くし得るから、そのことによる冷却損失の低減にも有利になる。
By the
さらに、本実施形態では、熱伝導率が非常に低くて断熱性に優れかつ耐熱性にも優れたチタン酸アルミニウム製のポートライナ181を、シリンダヘッド13に一体的に鋳ぐるむことによって、吸気ポート18に断熱層を設けている。これにより、新気が吸気ポート18を通過するときに、シリンダヘッド13から受熱して温度が上がることを抑制乃至回避し得ることになり、燃焼室17内に導入する新気の温度をより一層低くすることができる。尚、吸気ポート18に設ける断熱層の構成は、ポートライナ181の鋳ぐるみに限定されず、また、吸気ポート18に断熱層を設ける必要は必ずしもない。
Further, in this embodiment, the
上記のような断熱構造に加えて、燃焼室17内においてガス層による断熱層を形成することで、冷却損失をより一層低減することも可能である。この場合、エンジン1の燃焼室17内の外周部に新気を含むガス層が形成されかつ中心部に混合気層が形成されるように、圧縮行程においてインジェクタ11から燃焼室17内に燃料を噴射させるようにする。すなわち、圧縮行程においてインジェクタ33により燃焼室17内に燃料を噴射させかつその燃料噴霧のペネトレーションを、燃料噴霧が燃焼室17内の外周部まで届かないような大きさ(長さ)に抑えることで、燃焼室17内の中心部に混合気層が形成されかつその周囲に新気を含むガス層が形成されるという、成層化が実現する。このガス層は、新気のみであってもよく、新気に加えて、既燃ガス(EGRガス)を含んでいてもよい。尚、ガス層に少量の燃料が混じっても問題はなく、ガス層が断熱層の役割を果たせるように混合気層よりも燃料リーンであればよい。
In addition to the heat insulation structure as described above, it is possible to further reduce the cooling loss by forming a heat insulation layer by a gas layer in the
上記のようにガス層と混合気層とが形成された状態で点火プラグ31による点火を行えば、混合気層とシリンダ11の壁面との間のガス層により、混合気層の火炎がシリンダ11の壁面に接触することがなく、そのガス層が断熱層となって、シリンダ11の壁面からの熱の放出を抑えることができるようになる。
When ignition is performed by the
尚、冷却損失を低減させるだけでは、その冷却損失の低減分が排気損失に転換されて図示熱効率の向上にはあまり寄与しないところ、このエンジン1では、高圧縮比化に伴う高膨張比化によって、冷却損失の低減分に相当する燃焼ガスのエネルギを、機械仕事に効率よく変換している。すなわち、エンジン1は、冷却損失及び排気損失を共に低減させる構成を採用することによって、図示熱効率を大幅に向上させているということができる。 It should be noted that if the cooling loss is simply reduced, the reduced cooling loss is converted into exhaust loss and does not contribute much to the improvement in the illustrated thermal efficiency. The energy of the combustion gas corresponding to the reduced cooling loss is efficiently converted into mechanical work. That is, it can be said that the illustrated thermal efficiency is greatly improved in the engine 1 by adopting a configuration that reduces both the cooling loss and the exhaust loss.
ここで、エンジン負荷が所定値以下である低負荷領域では、燃焼室17内全体の空気過剰率λが2以上、又は、気筒内におけるガスの燃料に対する重量比G/Fが35以上に設定される。これにより、低負荷領域において、断熱層による断熱化を図って図示熱効率を向上させながら、RawNOxを低減することができる。RawNOx低減の観点からは、上記空気過剰率λ≧2.5がより一層好ましい。また、上記空気過剰率λ=8で図示熱効率がピークになることから、上記空気過剰率λの範囲としては、2≦λ≦8(より好ましくは2.5≦λ≦8)が好ましい。尚、混合気のリーン化は、スロットル弁20を開き側に設定することになるから、ガス交換損失(ポンピングロス)の低減による図示熱効率の向上にも寄与し得る。
Here, in a low load region where the engine load is equal to or less than a predetermined value, the excess air ratio λ of the
一方、エンジン負荷が上記所定値よりも高い高負荷領域では、トルク優先により、燃焼室17内全体の空気過剰率λ=1に設定される(混合気層では、空気過剰率λ<1となる)。尚、上記所定値は、エンジン回転数が大きくなるに連れて大きくなってもよく、エンジン回転数に関係なく一定の値であってもよい。
On the other hand, in the high load region where the engine load is higher than the predetermined value, the excess air ratio λ = 1 in the
上記吸気弁21における傘部21aの裏側部分には、バルブステム21bの上部から潤滑オイルが流れてくるため、その潤滑オイルが原因で、断熱層21cにはカーボンが堆積してしまう。このカーボンは、傘部21aの裏側部分の温度が、或る温度範囲(200℃〜300℃)内にあるときに堆積し易くなる。このように断熱層21cにカーボンが堆積すると、吸入空気の通路面積を縮小するので、吸入空気の充填量が低下して、エンジン出力の低下を招く。
Since the lubricating oil flows from the upper part of the
そこで、本実施形態では、エンジン制御器100が、後述のようにして、断熱層6にカーボンが堆積したとの判定を行い、カーボンが堆積したとの判定を行った場合には、そのカーボンを除去(焼去)するようにする。
Therefore, in the present embodiment, when the
すなわち、吸気弁21の傘部21aの裏側部分の温度が、カーボンが堆積し易くなるような温度(200℃〜300℃)となるような運転がなされれば、断熱層21cにカーボンが堆積すると考えられ、その累積運転時間によって、断熱層21cにカーボンが堆積したとの判定を行うことができる。
That is, if the operation is performed such that the temperature of the back side portion of the
図2は、上記吸気弁21の傘部21aの裏側部分の温度が、エンジン回転数(rpm)及び空気充填量ce(つまりエンジン負荷)によりどのように変化するかを調べた結果を示し、(a)及び(b)は、傘部21aの燃焼室側の面からバルブステム21bの軸方向に5mm及び10mmそれぞれ離れた部分の温度を示す。また、図3は、断熱層64及び断熱層21cが設けられていない吸気弁の場合の図2相当図であり、(a)及び(b)は、図2とそれぞれ同様の部分の温度を示す。
FIG. 2 shows the result of examining how the temperature of the back side portion of the
本実施形態では、図2に示すように、断熱層64及び断熱層21cにより、吸気弁21の傘部21aの裏側部分の温度は、高負荷高回転領域でも300℃を超えないようになっている。このため、断熱層21cにカーボンが堆積した場合、そのカーボンは焼去されることはなく、堆積したままとなる。そして、所定回転数(エンジン負荷が大きいほど小さくなる)以上のエンジン回転数(ハッチングで示した範囲)では、傘部21aの裏側部分の温度が、カーボンが堆積し易くなるような温度(200℃〜300℃)となる。したがって、上記所定回転数(エンジン負荷が大きいほど小さくなる)以上のエンジン回転数での累積運転時間を検出し、この累積運転時間が所定時間を超えたときに、断熱層21cにカーボンが堆積したとの判定を行うようにする。上記所定時間としては、カーボンがエンジン出力の低下を招く程度に堆積する時間であってもよく、微量でも堆積するような短い時間であってもよい。但し、短い時間とすると、後述のカーボン焼去運転が頻繁になされるので、エンジン出力の低下を招かない範囲で出来る限り長くするのがよい。また、本実施形態では、上記所定回転数は、エンジン負荷が大きいほど小さくなるようにしているが、一定値(例えば4000rpm)であってもよい。
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the
ここで、断熱層64及び断熱層21c(特に断熱層64)が設けられていなければ、高負荷高回転領域で、燃焼室17内の燃焼時の高温ガスの熱が傘部21aに伝わるため、図3に示すように、傘部21aの裏側部分(傘部21aの燃焼室側の面からバルブステム21bの軸方向に5mm離れた部分)の温度が300℃を超えるようになるが、傘部21aの燃焼室側の面からバルブステム21bの軸方向に10mm離れた部分の温度は、高負荷高回転領域でも300℃を超えない。断熱層64がなくて断熱層21cを設ける場合も、これと同様である。このため、断熱層64がなくて断熱層21cを設ける場合も、断熱層21cにカーボンが堆積したとの判定を行うことに意味があり、上記と同様にして、その判定を行うことができる(尚、上記10mm離れた部分でのカーボンの堆積は、上記5mm離れた部分でのカーボンの堆積に比べて、エンジン出力への影響が低いので、上記所定時間を、断熱層64及び断熱層21cを設ける場合よりも長くすることができる)。
Here, if the
上記のようにして断熱層21cにカーボンが堆積したとの判定を行った場合には、カーボン焼去運転を行うことによって、断熱層21cに堆積したカーボンを焼去する。このカーボン焼去運転は、断熱層21cにカーボンが堆積したとの判定を行った場合において、アクセル開度センサ73により検出される加速要求後のアクセル開度が所定開度以下の定常状態(0を含む)になったときに行う。具体的には、カーボン焼去運転では、加速要求後のアクセル開度が所定開度以下の定常状態になったときに、VVT23により吸気弁21を早開きにして、吸気弁21と排気弁22との開弁期間のオーバーラップを設けることにより、吸気ポート18に既燃ガスを導入することによって、断熱層21cに堆積したカーボンを焼去する。すなわち、加速要求に伴って燃焼室17内のガス温度が300℃を超える高い温度になっており、その加速要求後における上記オーバーラップにより、上記高温のガスを吸気ポート18へ逆流させることができ、これにより、吸気弁21における傘部21aの裏側部分の温度が高くなって、断熱層21cに堆積したカーボンを容易に焼去することができる。尚、カーボン焼去運転は、例えば、燃焼サイクルで所定サイクル数(断熱層21cに堆積したカーボンの殆どが焼去されるようなサイクル数であって、上記所定時間が長いほど多くなる)行う。また、上記オーバーラップの期間は、出来る限り長くすることが好ましい。
When it is determined that carbon is deposited on the
上記エンジン制御器100(CPU)による、カーボン堆積判定及びカーボン除去に関する制御動作を、図4のフローチャートにより説明する。 Control operations related to carbon deposition determination and carbon removal by the engine controller 100 (CPU) will be described with reference to the flowchart of FIG.
最初のステップS1で、エンジン回転数が、上記所定回転数以上であるか否かを判定する。このステップS1の判定がNOであるときには、ステップS1の動作を繰り返す一方、ステップS1の判定がYESであるときには、ステップS2に進む。 In first step S1, it is determined whether the engine speed is equal to or higher than the predetermined speed. When the determination at step S1 is NO, the operation at step S1 is repeated, while when the determination at step S1 is YES, the process proceeds to step S2.
ステップS2では、上記所定回転数以上のエンジン回転数での累積運転時間を算出する。すなわち、前回までの累積運転時間(エンジン制御器100のメモリに記憶しておく)に、今回の運転時間(エンジン制御器100に設けられた不図示のタイマーにより計時する)を加えて、累積運転時間を算出する。 In step S2, an accumulated operation time at an engine speed equal to or higher than the predetermined speed is calculated. In other words, the accumulated operation time up to the previous time (stored in the memory of the engine controller 100) is added to the current operation time (timed by a timer (not shown) provided in the engine controller 100) to obtain the accumulated operation time. Calculate time.
次のステップS3では、その累積運転時間が、所定時間を超えたか否かを判定し、ステップS3の判定がNOであるときには、ステップS1に戻る一方、ステップS3の判定がYESであるときには、ステップS4に進む。 In the next step S3, it is determined whether or not the accumulated operation time has exceeded a predetermined time. If the determination in step S3 is NO, the process returns to step S1, while if the determination in step S3 is YES, Proceed to S4.
ステップS4では、断熱層21cにカーボンが堆積したとの判定を行い、次のステップS5で、加速要求後のアクセル開度が所定開度以下の定常状態になったか否かを判定する。このステップS5の判定がNOであるときには、ステップS5の動作を繰り返す一方、ステップS5の判定がYESであるときには、ステップS6に進んで、上記カーボン焼去運転を行う。ここでは、カーボン焼去運転は、燃焼サイクルで所定サイクル数行い、断熱層21cに堆積したカーボンの殆どが焼去されるようにする。そして、次のステップS7で、累積運転時間を0にリセットして、それを上記メモリに記憶し、しかる後にリターンする。
In step S4, it is determined that carbon is deposited on the
上記エンジン制御器100による制御動作により、カーボンが堆積すると推定される運転の累積時間(上記所定回転数以上のエンジン回転数での累積運転時間)が所定時間を超えたときに、断熱層21cにカーボンが堆積したとの判定を行う。そして、断熱層21cにカーボンが堆積したとの判定を行った場合において、加速要求後のアクセル開度が所定開度以下の定常状態になったときに、カーボン焼去運転により、断熱層21cに堆積したカーボンを焼去する。
When the accumulated operation time (accumulated operation time at an engine speed equal to or higher than the predetermined rotation speed) estimated to accumulate carbon by the control operation by the
本実施形態においては、エンジン制御器100(CPU)が、本発明の累積運転時間検出手段、カーボン堆積判定手段及びカーボン焼去手段を構成し、アクセル開度センサ73がアクセル開度検出手段を構成することになる。 In the present embodiment, the engine controller 100 (CPU) constitutes the cumulative operation time detecting means, the carbon deposition determining means, and the carbon burning means according to the present invention, and the accelerator opening sensor 73 constitutes the accelerator opening detecting means. Will do.
したがって、本実施形態では、断熱層21cにカーボンが堆積したとの判定を容易に行うことができるとともに、この判定を行った場合に、断熱層21cに堆積したカーボンを容易に除去することができる。よって、カーボンの堆積による吸入空気の充填量の低下を抑制することができて、エンジン出力の低下を抑制することができる。また、断熱層21cにより、吸気温度を低くして燃焼時のガス温度を出来る限り低下させることができ、燃焼室壁面部の断熱層6と相俟って、ガス温度と燃焼室壁面部の温度との差温を小さくして、冷却損失を低減することが可能になる。これにより、18以上と高圧縮比にして図示熱効率を向上させることができる。
Therefore, in this embodiment, it can be easily determined that carbon is deposited on the
本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and can be substituted without departing from the spirit of the claims.
ここで、上記実施形態では、カーボン焼去運転として、加速要求後のアクセル開度が所定開度以下の定常状態になったときに、吸気弁21と排気弁22との開弁期間のオーバーラップにより、吸気ポート18に既燃ガスを導入するようにしたが、以下のような参考例のカーボン焼去運転によって、断熱層21cに堆積したカーボンを焼去するようにしてもよい。すなわち、断熱層21cにカーボンが堆積したとの判定が行われた場合に、燃焼室17内全体の空気過剰率λを1以下にしかつ混合気の燃焼開始を膨張行程の所定時期にリタードさせて、該膨張行程直後の排気行程で、上記オーバーラップにより吸気ポート18に既燃ガスを導入するようにする。この参考例の場合も、高温のガスを吸気ポート18へ逆流させることができる。そして、この参考例の場合、断熱層21cにカーボンが堆積したとの判定を行ったときの運転領域が上記高負荷領域である場合には、直ぐに上記カーボン焼去運転を行うが、上記判定を行ったときの運転領域が上記低負荷領域である場合には、高負荷領域に移行するまでカーボン焼去運転を行わず、燃焼室17内全体の空気過剰率λを1とする高負荷領域に移行した後に、カーボン焼去運転を行うことが好ましい。そして、上記カーボン焼去運転を、燃焼サイクルで所定サイクル数(断熱層21cに堆積したカーボンの殆どが焼去されるようなサイクル数であって、上記所定時間が長いほど多くなる)行う。
Here, in the above-described embodiment, as the carbon burning operation, when the accelerator opening after the acceleration request is in a steady state of a predetermined opening or less, the valve opening period overlaps between the
上述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本発明の範囲を限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。 The above-described embodiments are merely examples, and the scope of the present invention should not be interpreted in a limited manner. The scope of the present invention is defined by the scope of the claims, and all modifications and changes belonging to the equivalent scope of the claims are within the scope of the present invention.
本発明は、幾何学的圧縮比が18以上とされ、吸気弁における少なくとも傘部の裏側部分に、断熱層がコーティングされた火花点火式直噴エンジンに有用である。 The present invention, the geometric compression ratio is 18 or more, the rear portion of at least the valve head of the intake valve, which is useful in spark-ignition direct injection engine heat insulating layer is coated.
1 火花点火式直噴エンジン
21 吸気弁
21a 傘部
21c 断熱層
73 アクセル開度センサ(アクセル開度検出手段)
100 エンジン制御器(累積運転時間検出手段)(カーボン堆積判定手段)
(カーボン焼去手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Spark ignition
100 Engine controller (cumulative operation time detection means) (carbon deposition determination means)
(Carbon burning means)
Claims (2)
所定回転数以上のエンジン回転数での累積運転時間を検出する累積運転時間検出ステップと、
上記累積運転時間検出ステップにて検出された上記累積運転時間が所定時間を超えたときに、上記断熱層にカーボンが堆積したとの判定を行うカーボン堆積判定ステップと、
上記カーボン堆積判定ステップにて上記断熱層にカーボンが堆積したとの判定を行った場合において、加速要求後のアクセル開度が所定開度以下の定常状態になったときに、吸気弁と排気弁との開弁期間のオーバーラップにより、吸気ポートに既燃ガスを導入することによって、上記断熱層に堆積したカーボンを焼去するカーボン焼去ステップとを含むことを特徴とするカーボン除去方法。 In a spark ignition direct injection engine in which a geometric compression ratio is 18 or more and a heat insulating layer is coated on at least the back portion of the umbrella portion of the intake valve, a carbon removing method for removing carbon deposited on the heat insulating layer. There,
A cumulative operation time detecting step for detecting a cumulative operation time at an engine speed equal to or higher than a predetermined speed;
A carbon deposition determination step for determining that carbon is deposited on the heat insulation layer when the cumulative operation time detected in the cumulative operation time detection step exceeds a predetermined time;
When it is determined in the carbon deposition determination step that carbon is deposited on the heat insulation layer, when the accelerator opening after the acceleration request is in a steady state of a predetermined opening or less, the intake valve and the exhaust valve And a carbon burning step of burning the carbon deposited on the heat insulating layer by introducing burned gas into the intake port due to overlap of the valve opening period.
所定回転数以上のエンジン回転数での累積運転時間を検出する累積運転時間検出手段と、
上記累積運転時間検出手段により検出された上記累積運転時間が所定時間を超えたときに、上記断熱層にカーボンが堆積したとの判定を行うカーボン堆積判定手段と、
アクセル開度を検出するアクセル開度検出手段と、
上記カーボン堆積判定手段により上記断熱層にカーボンが堆積したとの判定が行われた場合に、上記アクセル開度検出手段により、加速要求後の上記アクセル開度が所定開度以下の定常状態になったことが検出されたときに、吸気弁と排気弁との開弁期間のオーバーラップにより、吸気ポートに既燃ガスを導入することによって、上記断熱層に堆積したカーボンを焼去するカーボン焼去手段とを備えていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。 A spark ignition type direct injection engine having a geometric compression ratio of 18 or more and having a heat insulation layer coated on at least a back portion of an umbrella portion of an intake valve,
An accumulated operation time detecting means for detecting an accumulated operation time at an engine speed equal to or higher than a predetermined speed;
Carbon deposition determination means for determining that carbon is deposited on the heat insulation layer when the cumulative operation time detected by the cumulative operation time detection means exceeds a predetermined time;
An accelerator opening detecting means for detecting the accelerator opening;
When it is determined by the carbon deposition determination means that carbon has accumulated on the heat insulating layer, the accelerator opening after the acceleration request is in a steady state equal to or less than a predetermined opening by the accelerator opening detection means. Carbon burnout that burns carbon deposited on the heat insulation layer by introducing burned gas into the intake port due to the overlap of the valve opening period between the intake valve and the exhaust valve. direct-injection spark-ignition engine, characterized in that it e Bei and means.
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