JP6102957B2 - Fuel injection control device for direct injection engine - Google Patents
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Description
ここに開示する技術は、直噴エンジンの燃料噴射制御装置に関する。 The technology disclosed herein relates to a fuel injection control device for a direct injection engine.
特許文献1には、シリンダの中心軸上に配設されかつ、ホローコーン状に燃料を噴射する外開弁式の燃料噴射弁を備えた直噴エンジンにおいて、圧縮行程の後期にシリンダ内に燃料を噴射することで、燃焼室内に混合気層と、その周囲のガス層とを形成することが記載されている。特許文献2に記載されたエンジンでは、混合気が燃焼するときに、周囲のガス層が断熱層として機能することで、冷却損失が低減する。 In Patent Document 1, in a direct-injection engine that is disposed on the center axis of a cylinder and has an outer valve-open type fuel injection valve that injects fuel in a hollow cone shape, fuel is injected into the cylinder at the later stage of the compression stroke. It is described that an air-fuel mixture layer and a surrounding gas layer are formed in the combustion chamber by injection. In the engine described in Patent Literature 2, when the air-fuel mixture burns, the surrounding gas layer functions as a heat insulating layer, thereby reducing the cooling loss.
特許文献2には、圧縮自己着火エンジンにおいて、燃焼室を区画する壁面を断熱材で構成することによって、燃焼室の壁面における冷却損失を低減することが記載されている。 Patent Document 2 describes that, in a compression self-ignition engine, a wall surface defining a combustion chamber is made of a heat insulating material to reduce a cooling loss on the wall surface of the combustion chamber.
特許文献1にも記載されている断熱ガス層を形成して冷却損失を低減する構成においては、混合気層の当量比を低くして燃焼温度を低下させることが有利になる。 In the configuration in which the heat insulating gas layer described in Patent Document 1 is formed to reduce the cooling loss, it is advantageous to lower the combustion temperature by lowering the equivalent ratio of the air-fuel mixture layer.
一方で、エンジンの冷間時には、エンジンの暖機を促進することが求められるが、前述したように冷却損失を低減させるような燃焼形態は、エンジンの暖機を促進することができない。 On the other hand, when the engine is cold, it is required to promote the warm-up of the engine. However, as described above, the combustion mode that reduces the cooling loss cannot promote the warm-up of the engine.
ここに開示する技術は、か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、直噴エンジンにおいて、温間時には冷却損失の低減を図ると共に、冷間時には、エンジンの暖機を促進することにある。 The technology disclosed herein has been made in view of such a point, and an object thereof is to reduce a cooling loss when the engine is warm in a direct injection engine and to warm up the engine when the engine is cold. It is to promote.
具体的に、ここに開示する技術は、シリンダヘッドの天井部と、シリンダブロックに設けられたシリンダと、前記シリンダ内を往復動するピストンとによって区画される燃焼室を有して構成されたエンジン本体と、前記燃焼室内に、液体の燃料を噴射するように配設された燃料噴射弁を有しかつ、前記ピストンが上死点に至るまでに前記燃料を前記燃焼室内に噴射するよう構成された燃料噴射制御部と、を備える。 Specifically, the technology disclosed herein is an engine having a combustion chamber defined by a ceiling portion of a cylinder head, a cylinder provided in a cylinder block, and a piston that reciprocates in the cylinder. A main body and a fuel injection valve arranged to inject liquid fuel into the combustion chamber, and configured to inject the fuel into the combustion chamber before the piston reaches top dead center. A fuel injection control unit.
そして、前記燃料噴射弁は、リフト量が大きくなるほど、燃料を噴射する噴口の有効開口面積が大きくなるように構成され、前記燃料噴射制御部は、前記エンジン本体の温間時には、前記燃焼室内に、混合気層とその周囲の断熱ガス層とが形成されるように、前記燃料噴射弁に対し、圧縮行程の後半において、所定のリフト量の第1噴射を実行させ、その後、燃料噴射が休止される時間間隔を設けて、前記第1噴射よりもリフト量が小さい第2噴射を行わせる、複数回の燃料噴射を実行させる一方、前記エンジン本体の冷間時には、前記燃料噴射弁に対し、圧縮行程の期間において、前記第1噴射の噴射開始時期を、前記エンジン本体の温間時の前記第1噴射の噴射開始時期よりも進角させかつ、前記第2噴射の噴射開始時期を、前記エンジン本体の温間時の前記第2噴射の噴射開始時期よりも進角させると共に、同じ要求噴射量の温間時よりも局所当量比が高くなるように、前記第1噴射と前記第2噴射との間で燃料噴射が休止される時間間隔を、前記温間時の前記時間間隔よりも狭くして、前記燃料噴射弁に対し、複数回の燃料噴射を実行させる。
Then, the fuel injection valve, the larger the lift amount, is configured such that the effective opening area of the nozzle hole for injecting fuel increases, the fuel injection control unit, in a warm state of the engine body, before Symbol combustion chamber In the second half of the compression stroke, the fuel injection valve is caused to execute a first lift of a predetermined lift amount so that an air-fuel mixture layer and a surrounding insulating gas layer are formed. the pause to be the time interval, said to perform the second injection lift amount is smaller than the first injection, while executing a plurality of fuel injection, during the cold state of the engine body with respect to the fuel injection valve In the compression stroke period, the injection start timing of the first injection is advanced from the injection start timing of the first injection when the engine body is warm, and the injection start timing of the second injection is The engine Together it is advanced from the injection start timing of the second injection during the warm body, as local equivalence ratio than during the warm the same required injection amount is increased, and the second injection and the first injection The time interval during which fuel injection is suspended is made narrower than the time interval during the warm time, and the fuel injection valve is caused to perform a plurality of fuel injections .
混合気層の周囲に断熱ガス層を形成して冷却損失を低減する上で、燃料噴射量がある程度多くなったときに燃料を一括で噴射すると、燃料が拡散して断熱ガス層が形成できなくなる。 In order to reduce the cooling loss by forming an adiabatic gas layer around the gas mixture layer, if the fuel is injected all at once when the fuel injection amount increases to some extent, the fuel diffuses and the adiabatic gas layer cannot be formed. .
これに対し、前記の構成では、燃料噴射を複数回(例えば2回又は3回)に分けて行う。これにより、エンジン本体の温間時には、燃料の拡散を抑制して断熱ガス層を形成することが可能になる。また、局所的な当量比を下げることが可能になる。例えば外開弁式の燃料噴射弁のように、リフト量が大きくなるほど、燃料を噴射する噴口の有効開口面積が大きくなるように構成された燃料噴射弁においては、リフト量及び/又は噴射期間を変更することによって、燃料の噴射速度や、噴霧角を変更することが可能であるから、複数回の燃料噴射について、燃料噴射弁のリフト量及び/又は噴射期間を変更するようにすれば、1回1回の燃料噴射によって噴射される燃料噴霧を、燃焼室内の異なる位置それぞれに配置させることが可能になる。これにより、混合気層の局所的な当量比が低くなるから燃焼温度が低下し、断熱ガス層が形成されることと組み合わさって冷却損失を大幅に低減することが可能になる。 On the other hand, in the said structure, fuel injection is performed in multiple times (for example, 2 times or 3 times). Thereby, when the engine body is warm, it is possible to suppress the diffusion of the fuel and form the heat insulating gas layer. In addition, the local equivalent ratio can be lowered. For example, in a fuel injection valve configured such that the effective opening area of the injection port for injecting fuel increases as the lift amount increases, such as in an externally opened fuel injection valve, the lift amount and / or the injection period are By changing the fuel injection speed and the spray angle, it is possible to change the lift amount and / or the injection period of the fuel injection valve for multiple fuel injections. It becomes possible to arrange the fuel spray injected by one fuel injection at different positions in the combustion chamber. As a result, the local equivalence ratio of the air-fuel mixture layer is lowered, so that the combustion temperature is lowered, and it is possible to significantly reduce the cooling loss in combination with the formation of the heat insulating gas layer.
この温間時の燃料噴射態様に対し、同じ要求噴射量の冷間時にも、複数回の燃料噴射を行う。冷間時の噴射回数は、要求噴射量が同じであるため、温間時と同じにしてもよい。また、温間時と異ならせてもよく、例えば冷間時には、温間時よりも噴射回数を減らしてもよい。 In contrast to the warm fuel injection mode, fuel injection is performed a plurality of times even when the same required injection amount is cold. Since the required injection amount is the same, the number of injections during the cold may be the same as during the warm. Further, it may be different from the warm time. For example, when the temperature is cold, the number of injections may be reduced as compared with the warm time.
冷間時にはまた、噴射と噴射との時間間隔を、温間時の時間間隔よりも狭くして、複数回の燃料噴射を行う。燃料噴射弁から燃料が噴射されることに伴い燃焼室内に形成される噴霧流れは、周囲の空気(又は空気を含むガス)を巻き込むようになる。噴射と噴射との時間間隔が短い場合、後から噴射した燃料噴霧は、先に噴射された燃料噴霧による空気流れの影響を強く受けて、その空気流れに引き寄せられるようになる。これにより、後から噴射した燃料噴霧は、先に噴射された燃料噴霧に近づくようになる。その結果、冷間時には、複数回の燃料噴射によって燃焼室内に噴射された燃料噴霧同士が互いに近づくから、混合気層の局所的な当量比が温間時よりも高くなる。こうして、燃料噴射量が同じであっても、冷間時には、局所的な当量比が温間時よりも高くなるため、燃焼温度が相対的に高くなる。これにより、エンジン本体の暖機が促進される。尚、燃焼温度を高くする上で、局所的な当量比は、1.0に近づけることが好ましい。 Also during the cold time, the time interval between the injections is made narrower than the time interval during the warm time, and a plurality of fuel injections are performed. As the fuel is injected from the fuel injection valve, the spray flow formed in the combustion chamber entrains ambient air (or gas containing air). When the time interval between the injections is short, the fuel spray injected later is strongly influenced by the air flow caused by the fuel spray injected earlier, and is attracted to the air flow. Thereby, the fuel spray injected later comes close to the fuel spray injected previously. As a result, when cold, the fuel sprays injected into the combustion chamber by multiple fuel injections approach each other, so the local equivalence ratio of the air-fuel mixture layer becomes higher than when warm. Thus, even when the fuel injection amount is the same, the local equivalence ratio is higher in the cold than in the warm, so the combustion temperature is relatively high. Thereby, warm-up of the engine body is promoted. In order to increase the combustion temperature, the local equivalent ratio is preferably close to 1.0.
ここで、温間時には、最初に行う燃料噴射の噴射開始時期は、圧縮行程における遅い時期にすることが好ましい。例えば、最初に行う燃料噴射は、その一部又は全部を、圧縮行程の後半に行ってもよい。ここで、圧縮行程の後半は、圧縮行程期間を前半と後半との2つの期間に2等分したときの後半に相当する。こうすることで、圧力及び温度が高い状態の燃焼室内に、燃料を噴射することになり、燃料噴霧が飛びすぎることが防止できる。つまり、燃料噴霧が燃焼室の壁面に接触することが防止でき、混合気層とその周囲の断熱ガス層とを確実に形成することが可能になる。
Here, at the warm time, it is preferable that the injection start timing of the first fuel injection to be performed is a late timing in the compression stroke. For example, part or all of the first fuel injection may be performed in the second half of the compression stroke. Here, the second half of the compression stroke corresponds to the second half when the compression stroke period is divided into two equal parts, the first half and the second half. By doing so, fuel is injected into the combustion chamber in a state where the pressure and temperature are high, and it is possible to prevent the fuel spray from flying too much. That is, the fuel spray can be prevented from coming into contact with the wall surface of the combustion chamber, and the air-fuel mixture layer and the surrounding insulating gas layer can be reliably formed.
これに対し、前記の構成では、冷間時には、最初に行う燃料噴射の噴射開始時期を、温間時よりも進角させる。これにより、噴射を開始するときのシリンダ内の圧力及び温度は、相対的に低くなるから、燃焼室内に噴射された燃料噴霧は、燃焼室内を飛びやすくなって、燃焼室の壁面の近傍にまで到達する。こうして、混合気層の周囲に設ける断熱ガス層の厚みを薄くすることが可能になる。混合気が燃焼した時の、断熱ガス層による断熱効果が低下するから、前述したように、燃焼温度が相対的に高くなることと組み合わさって、エンジン本体の冷間時に、エンジン本体の暖機を促進することが可能になる。
On the other hand, in the above-described configuration, when cold, the start timing of the first fuel injection is advanced more than when warm. As a result, the pressure and temperature in the cylinder at the start of injection become relatively low, so that the fuel spray injected into the combustion chamber is likely to fly through the combustion chamber and reach the vicinity of the wall surface of the combustion chamber. To reach. In this way, it is possible to reduce the thickness of the heat insulating gas layer provided around the air-fuel mixture layer. Since the heat insulating effect of the heat insulating gas layer is reduced when the air-fuel mixture burns, as described above, in combination with the relatively high combustion temperature, the engine main body is warmed up when the engine main body is cold. Can be promoted.
最初に行う燃料噴射の噴射開始時期の進角量は、噴射した燃料噴霧が燃焼室の壁面に接触することを回避しつつ、燃焼による火炎は燃焼室の壁面に接触することを許容する程度に設定することが好ましい。こうすることで、エンジン本体の暖機を有効に促進することが可能になる。
The advance amount of the start timing of the first fuel injection is such that the injected fuel spray is allowed to contact the wall of the combustion chamber while avoiding the injected fuel spray from contacting the wall of the combustion chamber. It is preferable to set. By doing so, it is possible to effectively promote warm-up of the engine body.
前記燃料噴射制御部は、前記エンジン本体の温間時に、圧縮行程の後半において、前記燃料噴射弁に対し、前記第1噴射と、前記第1噴射よりもリフト量が小さくかつ、前記第1噴射よりも噴射期間が長い前記第2噴射と、前記第2噴射の後に、燃料噴射が休止される時間間隔を設けて、前記第2噴射よりもリフト量が小さくかつ、前記第1噴射よりも噴射期間が短い第3噴射を行わせる、としてもよい。In the second half of the compression stroke, when the engine body is warm, the fuel injection control unit has a lower lift amount than the first injection and the first injection, and the first injection. The second injection having a longer injection period and a time interval after which the fuel injection is stopped are provided after the second injection, the lift amount is smaller than the second injection, and the injection is performed more than the first injection. The third injection having a short period may be performed.
以上説明したように、前記直噴エンジンの燃料噴射制御装置によると、エンジン本体の温間時には、複数回の燃料噴射を行うことによって、燃焼室内に、局所当量比の低い混合気層と断熱ガス層とを形成して冷却損失を低減すると共に、エンジン本体の冷間時には、温間時よりも局所当量比が高くなるように、噴射と噴射との時間間隔を、同じ要求噴射量の温間時の時間間隔よりも狭くして複数回の燃料噴射を行うことで、燃焼温度が高くなり、エンジン本体の暖機を促進することが可能になる。 As described above, according to the fuel injection control device of the direct injection engine, when the engine body is warm, by performing fuel injection a plurality of times, an air-fuel mixture layer and a heat insulating gas with a low local equivalent ratio are formed in the combustion chamber. The time interval between injection and injection is set to the same required injection amount so that the local equivalence ratio is higher when the engine body is cold than when warm. By performing the fuel injection a plurality of times with a time interval narrower than the time interval, the combustion temperature increases, and warming up of the engine body can be promoted.
以下、実施形態を図面に基づいて説明する。以下の説明は例示である。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. The following description is exemplary.
(エンジンの全体構成)
図1は、実施形態に係るエンジン1の構成を示している。エンジン1のクランクシャフト15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。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い。ここに開示する技術は、様々な種類の液体燃料を用いるエンジンに広く適用することが可能である。
(Entire engine configuration)
FIG. 1 shows a configuration of an engine 1 according to the embodiment. Although not shown, the
エンジン1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が形成されている(図1では、1つのみ示す)。エンジン1は、多気筒エンジンである。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。各シリンダ11内には、コネクティングロッド14を介してクランクシャフト15に連結されたピストン16が摺動自在に嵌挿されている。ピストン16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。
The engine 1 includes a
本実施形態では、燃焼室17の天井部170(シリンダヘッド13の下面)は、吸気ポート18の開口部180が設けられかつ、シリンダ11の中央に向かって登り勾配となった吸気側斜面171と、排気ポート19の開口部190が設けられかつ、シリンダ11の中央に向かって登り勾配となった排気側斜面172とを備えて構成されている。燃焼室17は、ペントルーフ型の燃焼室である。尚、ペントルーフの稜線は、シリンダ11のボア中心に一致する場合、及び一致しない場合の両方があり得る。また、ピストン16の頂面160は、図2にも示すように、天井部170の吸気側斜面171及び排気側斜面172に対応するように、吸気側及び排気側のそれぞれにおいて、ピストン16の中央に向かって登り勾配となった傾斜面161、162によって、三角屋根状に隆起している。これにより、このエンジン1の幾何学的圧縮比は、15以上の高い圧縮比に設定されている。また、ピストン16の頂面160には、凹状のキャビティ163が形成されている。
In the present embodiment, the ceiling portion 170 (the lower surface of the cylinder head 13) of the
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に形成されている。吸気ポート18の開口部180は、シリンダヘッド13の吸気側斜面171に、エンジン出力軸(つまり、クランクシャフト15)の方向に並んで設けられ、吸気ポート18は、この開口部180を通じて燃焼室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に形成されている。排気ポート19の開口部190は、シリンダヘッド13の排気側斜面172に、エンジン出力軸の方向に並んで設けられ、排気ポート19は、この開口部190を通じて燃焼室17に連通している。
Although only one is shown in FIG. 1, two
吸気ポート18は、吸気通路181に接続されている。吸気通路181には、吸気流量を調節するスロットル弁55が、介設されている。排気ポート19は、排気通路191に接続されている。排気通路191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設されている。触媒コンバータは、三元触媒を含む。
The
シリンダヘッド13には、吸気弁21が、吸気ポート18を燃焼室17から遮断する(つまり、燃焼室17を閉じる)ことができるように配設されている。吸気弁21は吸気弁駆動機構により駆動される。シリンダヘッド13にはまた、排気弁22が、排気ポート19を燃焼室17から遮断することができるように配設されている。排気弁22は排気弁駆動機構により駆動される。吸気弁21は所定のタイミングで往復動して吸気ポート18を開閉すると共に、排気弁22は所定のタイミングで往復動して排気ポート19を開閉する。それらによって、シリンダ11内のガス交換を行う。
An
吸気弁駆動機構は、図示は省略するが、クランクシャフト15に駆動連結された吸気カムシャフトを有し、吸気カムシャフトはクランクシャフト15の回転と同期して回転する。また、排気弁駆動機構は、図示は省略するが、クランクシャフト15に駆動連結された排気カムシャフトを有し、排気カムシャフトはクランクシャフト15の回転と同期して回転する。
Although not shown, the intake valve drive mechanism has an intake camshaft that is drivingly connected to the
吸気弁駆動機構は、この例では、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、液圧式又は電動式の位相可変機構(Variable Valve Timing:VVT)23を、少なくとも含んで構成されている。尚、吸気弁駆動機構は、VVT23と共に、弁リフト量を変更可能なリフト可変機構を備えるようにしてもよい。
In this example, the intake valve drive mechanism includes at least a hydraulic or electric variable valve timing (VVT) 23 capable of continuously changing the phase of the intake camshaft within a predetermined angle range. It consists of The intake valve drive mechanism may include a variable lift mechanism capable of changing the valve lift amount together with the
排気弁駆動機構は、この例では、排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、液圧式又は電動式のVVT24を、少なくとも含んで構成されている。尚、排気弁駆動機構は、VVT24と共に、弁リフト量を変更可能なリフト可変機構を備えるようにしてもよい。
In this example, the exhaust valve drive mechanism includes at least a hydraulic or
リフト可変機構は、リフト量を連続的に変更可能なCVVL(Continuous Variable Valve Lift)としてもよい。尚、吸気弁21を駆動する動弁機構、及び、排気弁22を駆動する動弁機構は、どのようなものであってもよく、例えば油圧式や電磁式の駆動機構を採用してもよい。
The lift variable mechanism may be a CVVL (Continuous Variable Valve Lift) capable of continuously changing the lift amount. The valve mechanism for driving the
図2に拡大して示すように、シリンダヘッド13には、燃焼室17内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁6が取り付けられている。燃料噴射弁6は、吸気側斜面171と排気側斜面172とが交差するペントルーフの稜線上に配設されている。燃料噴射弁6はまた、その噴射軸心Sが、シリンダ11の軸線に沿うように配設されて、噴射先端が、燃焼室17内に臨んでいる。燃料噴射弁6の噴射軸心Sは、シリンダ11の軸線と一致する場合、及び、シリンダ11の軸線からずれる場合の双方がある。
As shown in an enlarged view in FIG. 2, a
ピストン16のキャビティ163は、燃料噴射弁6に向かい合うように設けられている。燃料噴射弁6は、このキャビティ163内に向かって、燃料を噴射する。
The
燃料噴射弁6は、ここでは、外開弁式の燃料噴射弁である。外開弁式の燃料噴射弁6は、その先端部を図3に拡大して示すように、燃料を噴射する噴口61が形成されたノズル本体60と、噴口61を開閉する外開弁62とを有する。
Here, the
ノズル本体60は、その内部を燃料が流通するように筒状に構成されており、噴口61は、ノズル本体60の先端部に設けられている。噴口61は、先端側ほど径が大きくなるテーパ状に形成されている。
The
外開弁62は、ノズル本体60の先端において、ノズル本体60から外側に露出する弁本体63と、弁本体63からノズル本体60内を通って図示省略のピエゾ素子に接続される接続部64とを有している。弁本体63は、テーパ状の噴口61と略同じ形状を有する着座部65を有する。弁本体63の着座部65と接続部64との間には、縮径部66が介在する。図3に示すように、縮径部66は、着座部65とは傾きが相違し、基端から先端に向かう縮径部66の傾きは、着座部65の傾きよりも緩やかである。
The
図3に二点鎖線で示すように、着座部65が噴口61に当接しているときには、噴口61が閉口状態となる。電圧が印加されることによりピエゾ素子が変形して、外開弁62が噴射軸心Sに沿って外向きにリフトする。このことに伴い、図3に実線で示すように、着座部65が噴口61から離れて噴口61が開口状態となる。噴口61が開口状態となれば、燃料が、噴口61から噴射軸心Sに対して傾斜した方向であって、噴射軸心Sを中心とする半径方向に広がる方向へ噴射される。燃料は、噴射軸心Sを中心とするホローコーン状に噴射される。ピエゾ素子への電圧の印加が停止すると、ピエゾ素子が元の状態に復帰することで、外開弁62の着座部65が噴口61に当接して、噴口61を再び閉口状態にする。
As shown by a two-dot chain line in FIG. 3, when the
ピエゾ素子に印加する電圧が大きいほど、外開弁62の、噴口61の閉じた状態からのリフト量が大きくなる。図3から明らかなように、リフト量が大きいほど、噴口61の開度、つまり、有効開口面積が大きくなる。有効開口面積は、噴口61と着座部65との距離によって定義される。リフト量が大きいほど、噴口61から燃焼室17内に噴射される燃料噴霧の粒径が大きくなる。逆に、リフト量が小さいほど、噴口61から燃焼室17内に噴射される燃料噴霧の粒径が小さくなる。また、燃料圧力が同一と仮定すれば、有効開口面積は大きいほど、噴射速度は低くなる。逆に、有効開口面積が小さくなれば、噴射速度が高まるものの、有効開口面積が小さくなりすぎると、噴口の壁面から受ける燃料の摩擦抵抗の影響が大きくなるため、噴射速度は低くなる。従って、燃料の噴射速度が最高となるリフト量が存在し、リフト量がその最高速度リフト量よりも大きくても小さくても、燃料の噴射速度は低下する。尚、この最高速度リフト量は、比較的小さい。
As the voltage applied to the piezo element increases, the lift amount of the outer
さらに、図4に示すように、燃料が噴口61を通過する際には、縮径部66に沿うように流れる。図4(a)に示すように、リフト量が小さいときには、縮径部66が噴口61に近いことで、燃料の噴霧角(つまり、ホローコーンのテーパ角度)が大きくなり、図4(b)に示すように、リフト量が大きいときには、縮径部66が噴口61から離れることで、燃料の噴霧角(つまり、ホローコーンのテーパ角度)が小さくなる。外開弁式の燃料噴射弁6において、リフト量と噴霧角との関係は、図5に示すような関係となり、リフト量が所定以上であれば、噴霧角は比較的小さい角度で一定、又は、ほとんど一定となり、リフト量が所定よりも小さいときには、リフト量が小さくなるほど、噴霧角は大きくなる。
Furthermore, as shown in FIG. 4, when the fuel passes through the
図2に示すように、シリンダヘッド13の天井部170には、その天井面から凹陥する凹部173が設けられており、燃料噴射弁6の先端部は、この凹部173内に収容されている。凹部173の内周面は、燃焼室17の内方に向かうに従って次第に拡径するように傾斜している。燃料噴射弁6の先端部を、シリンダヘッド13の天井面から奥まった位置に配置することによって、幾何学的圧縮比を高くしながら、ピストン16が上死点に至ったときの、ピストン16の頂面160と燃料噴射弁6の先端部との間隔を、できる限り広くすることが可能になる。これは、後述するように、混合気層の周囲に断熱ガス層を形成する上で有利である。また、燃料噴射弁6の先端部と凹部173の内周面との間隔が広がるため、燃料噴射弁6から噴射した燃料噴霧が、コアンダ効果によってシリンダヘッド13の天井面に付着することを抑制することが可能になる。
As shown in FIG. 2, the
燃料供給システム57は、外開弁62を駆動するための電気回路と、燃料噴射弁6に燃料を供給する燃料供給系とを備えている。エンジン制御器100は、所定のタイミングで、リフト量に応じた電圧を有する噴射信号を電気回路に出力することで、該電気回路を介して外開弁62を作動させて、所望量の燃料を、シリンダ内に噴射させる。噴射信号の非出力時(つまり、噴射信号の電圧が0であるとき)には、外開弁62により噴口61が閉じられた状態となる。このようにピエゾ素子は、エンジン制御器100からの噴射信号によって、その作動が制御される。こうしてエンジン制御器100は、ピエゾ素子の作動を制御して、燃料噴射弁6の噴口61からの燃料噴射及び該燃料噴射時におけるリフト量を制御する。ピエゾ素子の応答は速く、例えば1〜2msecの間に20回程度の多段噴射が可能である。但し、外開弁62を駆動する手段としては、ピエゾ素子には限られない。
The
燃料供給系には、図示省略の高圧燃料ポンプやコモンレールが設けられており、その高圧燃料ポンプは、低圧燃料ポンプを介して燃料タンクより供給されてきた燃料をコモンレールに圧送し、コモンレールは、その圧送された燃料を、所定の燃料圧力で蓄える。そして、燃料噴射弁6が作動する(つまり、外開弁62がリフトされる)ことによって、コモンレールに蓄えられている燃料が噴口61から噴射される。エンジン制御器100と、燃料噴射弁6とを含んで、燃料噴射制御部が構成される。
The fuel supply system is provided with a high-pressure fuel pump (not shown) and a common rail. The high-pressure fuel pump pumps fuel supplied from the fuel tank via the low-pressure fuel pump to the common rail. The pumped fuel is stored at a predetermined fuel pressure. Then, the fuel stored in the common rail is injected from the
燃料噴射制御部は、詳細は後述するが、図2に概念的に示すように、燃焼室17内(つまり、キャビティ163内)に、(可燃)混合気層と、その周囲の断熱ガス層とが形成可能に構成されている。 As will be described later in detail, the fuel injection control unit includes a (combustible) air-fuel mixture layer, a surrounding insulating gas layer, and a combustion chamber 17 (that is, in the cavity 163), as conceptually shown in FIG. Is configured to be formed.
このエンジン1は、基本的には全運転領域で、シリンダ11内に形成した混合気を圧縮着火(つまり、制御自動着火(Controlled Auto Ignition:CAI))により燃焼させるように構成されている。エンジン1は、所定の環境下において混合気の着火をアシストするための着火アシストシステム56を備えている。着火アシストシステム56は、例えば、燃焼室17内に臨んで配設される放電プラグとしてもよい。つまり、燃焼室17で、極短パルス放電が生じるように、制御されたパルス状の高電圧を放電プラグの電極に印加することによって、燃焼室内にストリーマ放電を発生させ、シリンダ内にオゾンを生成する。オゾンは、CAIをアシストする。尚、着火アシストシステムは、オゾンを発生させる放電プラグに限らず、火花放電を行うことで混合気にエネルギを付与し、CAIをアシストするスパークプラグとしてもよい。
The engine 1 is basically configured to burn the air-fuel mixture formed in the
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51からの吸気流量に関する信号、クランク角センサ52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53からのアクセル開度信号、及び、車速センサ54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、着火アシスト信号、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55(正確には、スロットル弁55を動かすスロットルアクチュエータ)、VVT23、24、燃料供給システム57及び着火アシストシステム56等に出力する。
The
このエンジン1は、前述したように、幾何学的圧縮比εが15以上に設定されている。幾何学的圧縮比は、40以下とすればよく、特に20以上35以下が好ましい。エンジン1は圧縮比が高いほど膨張比も高くなる構成から、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。高い幾何学的圧縮比は、CAI燃焼を安定化する。 As described above, the engine 1 has the geometric compression ratio ε set to 15 or more. The geometric compression ratio may be 40 or less, and particularly preferably 20 or more and 35 or less. Since the engine 1 is configured such that the higher the compression ratio is, the higher the expansion ratio is. Therefore, the engine 1 is also an engine 1 having a relatively high expansion ratio simultaneously with the high compression ratio. A high geometric compression ratio stabilizes CAI combustion.
燃焼室17は、シリンダ11の内周面と、ピストン16の頂面160と、シリンダヘッド13の下面(天井部170)と、吸気弁21及び排気弁22それぞれのバルブヘッドの面と、によって区画形成されている。冷却損失を低減すべく、これらの区画面に、遮熱層を設けることによって、燃焼室17が遮熱化されている。遮熱層は、これらの区画面の全てに設けてもよいし、これらの区画面の一部に設けてもよい。また、燃焼室17を直接区画する壁面ではないが、吸気ポート18や排気ポート19における、燃焼室17の天井部170側の開口近傍のポート壁面に遮熱層を設けてもよい。
The
これらの遮熱層は、燃焼室17内の燃焼ガスの熱が、区画面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。
These thermal barrier layers are set to have a lower thermal conductivity than the metal base material constituting the
また、遮熱層は、冷却損失を低減する上で、母材よりも容積比熱が小さいことが好ましい。つまり、遮熱層の熱容量を小さくして、燃焼室17の区画面の温度が、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。
Further, the heat shielding layer preferably has a volumetric specific heat smaller than that of the base material in order to reduce cooling loss. That is, it is preferable to reduce the heat capacity of the heat shield layer so that the temperature of the section screen of the
前記遮熱層は、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て形成すればよい。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、遮熱層の熱伝導率及び容積比熱をより低くすることができる。 The thermal barrier layer may be formed, for example, by coating a ceramic material such as ZrO 2 on the base material by plasma spraying. The ceramic material may contain a number of pores. If it does in this way, the thermal conductivity and volume specific heat of a thermal insulation layer can be made lower.
本実施形態では、前記の燃焼室の遮熱構造に加えて、燃焼室17内にガス層による断熱層を形成することで、冷却損失を大幅に低減するようにしている。
In the present embodiment, in addition to the heat shield structure of the combustion chamber, a heat insulating layer is formed in the
具体的には、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、圧縮行程以降において燃料噴射弁6の噴射先端からキャビティ163内に向かって燃料を噴射させることにより、図2に示すように、燃料噴射弁6の近傍の、キャビティ163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断熱ガス層が形成されるという、成層化が実現する。ここで言う混合気層は、可燃混合気によって構成される層と定義してもよく、可燃混合気は、例えば当量比φ=0.1以上の混合気としてもよい。燃料の噴射開始から時間が経過すればするほど、燃料噴霧は拡散することから、混合気層の大きさは、着火時点での大きさである。着火とは、例えば燃料の燃焼質量割合が1%以上となることをもって判定することができる。混合気は、圧縮上死点の付近において着火する。
Specifically, the
断熱ガス層は、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、断熱ガス層に少量の燃料が混じっても問題はなく、断熱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。 The adiabatic gas layer may be only fresh air, and may contain burned gas (EGR gas) in addition to fresh air. It should be noted that there is no problem even if a small amount of fuel is mixed in the heat insulation gas layer, and it is sufficient that the fuel insulation layer is leaner than the gas mixture layer so that the heat insulation gas layer can serve as a heat insulation layer.
前記のように断熱ガス層と混合気層とが形成された状態で、混合気がCAI燃焼すれば、混合気層とシリンダ11の壁面との間の断熱ガス層により、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、その断熱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。この結果、冷却損失を大幅に低減することができる。
If the air-fuel mixture is subjected to CAI combustion in the state where the heat insulating gas layer and the air-fuel mixture layer are formed as described above, the heat of the air-fuel mixture layer is caused by the heat insulating gas layer between the air-fuel mixture layer and the wall surface of 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.
このような混合気層と断熱ガス層とを燃焼室17内に形成するために、燃料を噴射するタイミングにおいては、燃焼室17内のガス流動は弱いことが望ましい。そのため、吸気ポートは、燃焼室17内でスワールが生じない、又は、生じ難いようなストレート形状を有していると共に、タンブル流もできるだけ弱くなるように、構成されている。
In order to form such an air-fuel mixture layer and a heat insulating gas layer in the
前述したように、燃焼室17内に混合気層と断熱ガス層とを形成する上で、燃料噴射量が比較的少ないとき、例えばエンジン1の運転状態が、軽負荷領域にあるときには、混合気層をコンパクトにし易いため、混合気層と断熱ガス層とを形成することは比較的容易である。これに対し、燃料噴射量が増えると、燃料を一括で噴射したのでは、混合気層をコンパクトにすることが困難となり、混合気層の周囲に断熱ガス層を形成することが難しくなる。
As described above, when the air-fuel mixture layer and the heat insulating gas layer are formed in the
この点に関し、燃焼室17内への燃料噴射を、一括して行うのではなく、複数回の噴射に分割して行うことは、燃焼室17内の空気利用率を高めつつ、混合気層と断熱ガス層とを形成する上で有利になる。具体的に、図6(a)は、要求噴射量が比較的多いときの燃料の噴射態様を例示している。尚、この燃料噴射態様は、エンジン1が温間時のときである。図6(a)の横軸はクランク角を、縦軸は燃料噴射弁6のリフト量を示している。ここでは第1噴射、第2噴射及び第3噴射を含む分割噴射を行う。
In this regard, the fuel injection into the
第1噴射は、相対的に進角したタイミングで、第1リフト量で燃料を噴射する。第1リフト量は、前述した、燃料の噴射速度が最高となる最高速度リフト量よりも大きい。燃料の噴射開始時のリフト量を高くすると、噴口61の壁面による抵抗が小さくなるため、燃料の噴射速度が速やかに上昇する。これにより、第1噴射による燃料の噴射速度は、噴射期間が短いものの、比較的高くなる。第1噴射は、圧縮行程期間内に行われる。第1噴射の一部又は全部を圧縮行程の後半に行ってもよい。噴射期間は、後述する第2噴射よりも短い。これにより、図5に示すように、燃料噴射弁6から噴射される燃料噴霧の噴霧角は、比較的狭くなる。図7に概念的に示すように、第1噴射によって噴射された燃料噴霧は、所定の噴霧角でかつ、燃焼室17の壁面近くにまで広がるようになる。但し、第1噴射により、燃焼室17内に最初に噴射された燃料噴霧は比較的高い抵抗を受けて、飛び難くなるため、燃焼室17の壁面に接触することが防止される。
In the first injection, fuel is injected with a first lift amount at a relatively advanced timing. The first lift amount is larger than the aforementioned maximum speed lift amount at which the fuel injection speed becomes maximum. When the lift amount at the start of fuel injection is increased, the resistance due to the wall surface of the
第1噴射の終了後、所定の間隔を空けて第2噴射が行われる。第2噴射は、その一部又は全部が、圧縮行程の後半の燃料噴射である。第2噴射は、第1リフト量よりもリフト量が小さい第2リフト量で燃料を噴射する。第2リフト量もまた、第1リフト量と同様に、最高速度リフト量よりも大とすることが好ましい。燃料の噴射開始時のリフト量を低くすると、噴口61の壁面による抵抗が大きくなるため、燃料の噴射速度の上昇が遅れる。第2噴射による燃料の噴射速度は、噴射開始当初は低くなる。こうして第2噴射によって噴射された燃料噴霧の噴射速度が抑制されるため、第1噴射によって噴射された燃料噴霧に追いついて、燃料噴霧が重なってしまうことが防止される。
After the end of the first injection, the second injection is performed at a predetermined interval. Part or all of the second injection is fuel injection in the latter half of the compression stroke. In the second injection, fuel is injected with a second lift amount that is smaller than the first lift amount. Similarly to the first lift amount, the second lift amount is preferably larger than the maximum speed lift amount. If the lift amount at the start of fuel injection is reduced, the resistance due to the wall surface of the
また、第2噴射によって燃料噴射弁6から噴射される燃料噴霧の噴霧角は、図5に示すように、比較的狭くなる。
Further, the spray angle of the fuel spray injected from the
第2噴射はまた、その噴射期間が、第1噴射の噴射期間よりも長く設定される。これにより、第2噴射によって噴射された燃料噴霧は、燃料噴射弁6の噴射軸心Sに近づくようになる。つまり、燃料が噴射されることに伴い燃焼室17内に形成される噴霧流れは、周囲の空気を巻き込むようになる。しかし、燃料噴射弁6の先端部からホローコーン状に噴射される燃料噴霧の内側は、空気が流れ込み難い。そのため、噴射期間が長くなると、燃料噴射弁6の噴射軸心Sの付近は、負圧が強まるようになり、燃料噴霧の内外の圧力差によって、図7に実線の矢印で示すように、燃料噴霧は、燃料噴射弁6の噴射軸心Sに近づくようになる。これにより、第1噴射によって噴射された燃料噴霧と、第2噴射によって噴射されて燃料噴霧とは、噴霧角の角度方向に位置がずれるようになる。より詳細には、第1噴射によって噴射された燃料噴霧の軸を基準とし、その軸方向に直交する径方向について、第2噴射によって噴射された燃料噴霧は、第1噴射によって噴射された燃料噴霧に対し径方向の内側に位置するようになる。こうして、燃料噴霧同士が重なることが防止される。
In the second injection, the injection period is set longer than the injection period of the first injection. As a result, the fuel spray injected by the second injection comes closer to the injection axis S of the
第3噴射は、第2噴射の終了後、所定の間隔を空けて行う。第3噴射は、圧縮行程の後半に行われる。第3噴射のリフト量は、第2リフト量よりも小さい第3リフト量である。第3リフト量は、第1リフト量よりも小さくなる。第3リフト量は、最高速度リフト量よりも大としてもよい。また、第3噴射の噴射期間は、第1噴射及び第2噴射の噴射期間よりも短い。第3噴射のリフト量を小さくすることに伴い、燃料噴射弁6から噴射される燃料噴霧の噴霧角は大きくなる(図4(a)及び図5参照)。また、噴射タイミングが最も遅くてシリンダ11内の圧力及び温度が高い上に、噴射期間が短いため、第3噴射によって噴射された燃料噴霧は、燃料噴射弁6の先端部の近傍に位置するようになる。つまり、図7に示すように、第3噴射によって噴射された燃料噴霧は、第1噴射によって噴射された燃料噴霧の軸を基準としたときの径方向の外側に配置されるようになる。第1噴射、第2噴射及び第3噴射のそれぞれによって噴射された燃料噴霧は、燃焼室17内において、第1噴射によって噴射された燃料噴霧の軸を基準とした径方向に位置がずれるようになる。また、噴射方向に対しても、位置がずれるようになる。
The third injection is performed at a predetermined interval after the end of the second injection. The third injection is performed in the second half of the compression stroke. The lift amount of the third injection is a third lift amount that is smaller than the second lift amount. The third lift amount is smaller than the first lift amount. The third lift amount may be larger than the maximum speed lift amount. The injection period of the third injection is shorter than the injection periods of the first injection and the second injection. As the lift amount of the third injection is reduced, the spray angle of the fuel spray injected from the
こうして、エンジン1の温間時は、燃焼室17内に混合気層と断熱ガス層とを形成しつつ、第1噴射、第2噴射及び第3噴射によって噴射された燃料噴霧は、燃焼室17内において異なる位置に配置されるから、混合気層の局所的な当量比が低くなる。その結果、燃焼温度が低下すると共に、断熱ガス層によって燃焼火炎が燃焼室17の壁面に接触することが防止されることで、エンジン1の冷却損失を大幅に低減することが可能になる。
Thus, when the engine 1 is warm, the fuel spray injected by the first injection, the second injection, and the third injection is formed in the
ここで、エンジン1の温間時において、第1噴射と第2噴射との噴射間隔、及び、第2噴射と第3噴射との時間間隔は、それぞれ比較的広く設定される。前述したように、燃料噴射弁6から燃料が噴射されることに伴い、燃焼室17内に形成される噴霧流れは、周囲の空気を巻き込むようになるが、噴射と噴射との時間間隔が短い場合、後から噴射した燃料噴霧は、先に噴射された燃料噴霧による空気流れの影響を強く受けて、その空気流れに引き寄せられるようになるためである。温間時において混合気層の局所当量比φは、0.3程度とすることが、冷却損失の低減に有利である。
Here, when the engine 1 is warm, the injection interval between the first injection and the second injection and the time interval between the second injection and the third injection are set relatively wide. As described above, as the fuel is injected from the
これに対し、エンジン1の冷間時は、エンジン1の暖機を促進するために、燃焼温度は高い方が好ましい。そこで、このエンジン1では、冷間時の燃料の噴射態様を、温間時の燃料の噴射態様とは異ならせる。具体的に、図6(b)は、冷間時の燃料の噴射態様を示している。ここで、図6(a)の噴射態様と、図6(b)の噴射態様とは、同じ要求噴射量である。要求噴射量が比較的多いため、冷間時においても、温間時と同様に、第1噴射、第2噴射及び第3噴射の3回の燃料噴射を行う。 On the other hand, when the engine 1 is cold, the combustion temperature is preferably higher in order to promote warm-up of the engine 1. Therefore, in the engine 1, the fuel injection mode during cold is different from the fuel injection mode during warm. Specifically, FIG. 6B shows a fuel injection mode during cold. Here, the injection mode of FIG. 6A and the injection mode of FIG. 6B are the same required injection amount. Since the required injection amount is relatively large, three fuel injections of the first injection, the second injection, and the third injection are performed even in the cold state, as in the warm state.
これら第1噴射、第2噴射及び第3噴射それぞれの、燃料噴射弁6のリフト量及び噴射期間は、図6(a)に示す温間時の第1噴射、第2噴射及び第3噴射それぞれの、燃料噴射弁6のリフト量及び噴射期間と同じである。一方で、冷間時には、第1噴射と第2噴射との間の時間間隔が、温間時よりも狭く、かつ、第2噴射と第3噴射との間の時間間隔が、温間時よりも狭い。尚、図6の横軸はクランク角であるが、図6(a)及び(b)は、エンジン回転数が同じと仮定して、図6(a)及び(b)の横軸の幅の大小は、時間の長短に対応する。
The lift amount and the injection period of the
噴射と噴射との間の時間間隔を狭くすることによって、前述したように、後から噴射した燃料噴霧は、先に噴射された燃料噴霧による空気流れの影響を強く受けて、その空気流れに引き寄せられるようになる。特に、後から噴射する第2噴射は、リフト量が相対的に小さいため、噴口61の壁面から受ける燃料の摩擦抵抗の影響が大きく、燃料の噴射開始当初の噴射速度が低くなる。このため、先に噴射された第1噴射による空気流れの影響を強く受けて、第1噴射によって噴射された燃料噴霧に近づくようになる。同様に、後から噴射する第3噴射も、リフト量が相対的に小さいため、先に噴射された第1及び第2噴射による空気流れの影響を強く受けて、第1及び第2噴射によって噴射された燃料噴霧に近づくようになる。こうして、冷間時には、図8に示すように、第1噴射、第2噴射及び第3噴射のそれぞれによって噴射された燃料噴霧は、燃焼室17内において互いに近づくようになる。その結果、冷間時には、混合気層の局所的な当量比が、温間時よりも高くなる。
By narrowing the time interval between injections, as described above, the fuel spray injected later is strongly influenced by the air flow caused by the previously injected fuel spray and is attracted to the air flow. Be able to. In particular, since the second injection that is injected later has a relatively small lift amount, the influence of the frictional resistance of the fuel received from the wall surface of the
ここで、第1噴射、第2噴射及び第3噴射のそれぞれによって噴射された燃料噴霧が、重なりあってしまうと、局所的に過濃な混合気が形成され、スモークの発生を招くようになる。そのため、局所当量比φが1.0以下となる限度で、第1噴射と第2噴射との間の時間間隔、及び、第2噴射と第3噴射との間の時間間隔を狭くすることが好ましい。 Here, if the fuel sprays injected by the first injection, the second injection, and the third injection overlap each other, a locally rich mixture is formed and smoke is generated. . Therefore, the time interval between the first injection and the second injection and the time interval between the second injection and the third injection may be narrowed as long as the local equivalent ratio φ is 1.0 or less. preferable.
図6(b)に示す噴射形態ではさらに、第1噴射の噴射開始時期を、温間時における第1噴射の噴射開始時期よりも進角している。噴射と噴射との間の時間間隔を狭くしていることと組み合わさって、冷間時における第3噴射の噴射終了時期は、温間時における第3噴射の噴射終了時期よりも大きく進角する。第1噴射の噴射開始時期を進角することにより、第1噴射の噴射開始時におけるシリンダ11内の圧力及び温度が低くなるから、燃焼室17内に噴射された燃料噴霧が飛びやすくなり、図8に示すように、第1噴射によって噴射された燃料噴霧は、燃焼室17の壁面近傍にまで到達するようになる。これにより、混合気層の周囲に形成する断熱ガス層の厚みが、温間時よりも薄くなる。
In the injection mode shown in FIG. 6B, the injection start timing of the first injection is further advanced from the injection start timing of the first injection during the warm period. Combined with the narrowing of the time interval between the injections, the injection end timing of the third injection in the cold time is advanced more than the injection end timing of the third injection in the warm time. . By advancing the injection start timing of the first injection, the pressure and temperature in the
ここで、第1噴射によって噴射された燃料噴霧が、燃焼室17の壁面に接触することは避けることが望ましい。また、冷間時においては、燃焼火炎が燃焼室17の壁面に接触することは望ましい。そこで、第1噴射によって噴射された燃料噴霧が、燃焼室17の壁面に接触しない限度において、第1噴射の噴射開始時期の進角量が設定される。
Here, it is desirable to avoid that the fuel spray injected by the first injection contacts the wall surface of the
こうして冷間時には、混合気層の局所当量比が高くなることで、燃焼温度が温間時よりも高くなると共に、断熱ガス層の厚みが、温間時よりも薄くなることで、冷却損失が、温間時よりも増大することになる。その結果、エンジン1の暖機が促進される。 In this way, when cold, the local equivalent ratio of the gas mixture layer becomes higher, so that the combustion temperature becomes higher than when warm, and the thickness of the heat insulating gas layer becomes thinner than when warm, thereby reducing cooling loss. It will increase compared to warm. As a result, warm-up of the engine 1 is promoted.
尚、エンジン1の温度状態(つまり、水温及び/又は油温)が所定温度以下の冷間時には、図6(b)のように冷間時において設定された燃料の噴射態様で燃料噴射を行い、エンジン1の温度状態が所定温度を超えた後に、図6(b)のように温間時において設定された燃料の噴射態様に切り替えるようにしてもよい。 When the temperature state of the engine 1 (that is, the water temperature and / or the oil temperature) is cold below a predetermined temperature, fuel is injected in the fuel injection mode set during the cold as shown in FIG. 6B. Then, after the temperature state of the engine 1 exceeds a predetermined temperature, the fuel injection mode may be switched to the fuel injection mode set in the warm state as shown in FIG.
また、エンジン1の温度状態に応じて、噴射と噴射との時間間隔を調整するようにしてもよい。例えば温度状態が高くなるに従って、噴射と噴射との時間間隔が広くなるようにしてもよい。 Further, the time interval between injections may be adjusted according to the temperature state of the engine 1. For example, the time interval between injections may be increased as the temperature state increases.
また、図6は、温間時及び冷間時のそれぞれで、第1噴射〜第3噴射の3回の噴射を行うようにしているが、分割噴射の回数は2回にしてもよい。また、温間時及び冷間時のそれぞれで、分割噴射の回数は、同じであっても、異なっていてもよい。例えば冷間時の分割噴射の回数を、温間時の分割噴射の回数よりも減らしてもよい。 In FIG. 6, three injections of the first injection to the third injection are performed in the warm time and the cold time, but the number of divided injections may be two. In addition, the number of divided injections may be the same or different between the warm time and the cold time. For example, the number of split injections during cold may be reduced from the number of split injections during warm.
尚、前記の構成では、複数回の燃料噴射について、リフト量及び噴射期間をそれぞれ異ならせているが、温間時及び冷間時のそれぞれにおいて、リフト量及び噴射期間が同じ燃料噴射を、複数回、行うようにしてもよい。その場合において、温間時は、噴射と噴射との時間間隔を相対的に広く、冷間時は、噴射と噴射との時間間隔を、温間時よりも狭くすればよい。 In the above-described configuration, the lift amount and the injection period are different for each of the plurality of fuel injections. However, a plurality of fuel injections having the same lift amount and the same injection period are provided for each of the warm time and the cold time. May be performed once. In that case, the time interval between the injection and the injection may be relatively wide during the warm time, and the time interval between the injection and the injection may be narrower than during the warm time.
また、図9に示すように、温間時及び冷間時のそれぞれにおいて、図6に示す噴射態様の内、第2噴射は、複数の燃料噴射を含む多段噴射によって構成してもよい。前述の通り、ピエゾ素子を有する燃料噴射弁6は高応答であり、1〜2msecの間に20回程度の多段噴射が可能である。第2噴射を多段噴射にした場合も、噴射した燃料噴霧は、図7又は図8に示すように、燃料噴射弁6の近くでかつ、燃料噴射弁6の噴射軸心Sに近づくようになる。尚、図9の例では、第2噴射を構成する各燃料噴射同士の間隔を、実質的にゼロにしているが、燃料噴射と燃料噴射との間に所定の間隔を設けてもよい。
Further, as shown in FIG. 9, the second injection may be configured by multi-stage injection including a plurality of fuel injections in the injection mode shown in FIG. As described above, the
また、前記の例では、燃料噴射弁6として外開弁式の燃料噴射弁を採用しているが、ここに開示する技術に適用可能な燃料噴射弁6は、外開弁式の燃料噴射弁に限らない。例えばVCO(Valve Covered Orifice)ノズルタイプのインジェクタを採用してもよい。VCOノズルタイプの燃料噴射弁は、ニードル弁が、ノズル口が開口しているシート部に直接着座して、ノズル口を閉鎖するように構成されている。ニードル弁のリフト量に応じて、ノズル口の内周面に発生するキャビティ領域の大きさが変化する。VCOノズルタイプの燃料噴射弁では、外開弁式のインジェクタと同様に、ニードル弁のリフト量に応じて、ノズル口の有効開口面積が変化する。従って、外開弁式の燃料噴射弁と同様に、図6又は図9に示す燃料噴射態様によって、キャビティ163内の中央部に混合気層を、その外周囲に断熱ガス層を形成することが可能である。
In the above example, an externally opened fuel injector is employed as the
さらに、燃料噴射弁は、外開弁式の燃料噴射弁及びVCOノズルタイプの燃料噴射弁に限定されない。例えばホールノズルタイプの燃料噴射弁を採用してもよい。 Further, the fuel injection valve is not limited to an externally opened fuel injection valve and a VCO nozzle type fuel injection valve. For example, a hole nozzle type fuel injection valve may be employed.
尚、前記の例では、燃焼室及び吸気ポートの遮熱構造を採用すると共に、燃焼室内に断熱ガス層を形成するようにしたが、ここに開示する技術は、遮熱構造を採用しないエンジンに対しても適用することが可能である。 In the above example, the heat shield structure of the combustion chamber and the intake port is adopted and the heat insulating gas layer is formed in the combustion chamber. However, the technology disclosed herein is applied to an engine that does not adopt the heat shield structure. It can also be applied to.
1 エンジン(エンジン本体)
100 エンジン制御部(燃料噴射制御部)
11 シリンダ
12 シリンダブロック
13 シリンダヘッド
16 ピストン
17 燃焼室
6 燃料噴射弁
1 Engine (Engine body)
100 Engine control unit (fuel injection control unit)
11
Claims (2)
前記燃焼室内に、液体の燃料を噴射するように配設された燃料噴射弁を有しかつ、前記ピストンが上死点に至るまでに前記燃料を前記燃焼室内に噴射するよう構成された燃料噴射制御部と、を備え、
前記燃料噴射弁は、リフト量が大きくなるほど、燃料を噴射する噴口の有効開口面積が大きくなるように構成され、
前記燃料噴射制御部は、
前記エンジン本体の温間時には、前記燃焼室内に、混合気層とその周囲の断熱ガス層とが形成されるように、前記燃料噴射弁に対し、圧縮行程の後半において、所定のリフト量の第1噴射を実行させ、その後、燃料噴射が休止される時間間隔を設けて、前記第1噴射よりもリフト量が小さい第2噴射を行わせる、複数回の燃料噴射を実行させる一方、
前記エンジン本体の冷間時には、前記燃料噴射弁に対し、圧縮行程の期間において、前記第1噴射の噴射開始時期を、前記エンジン本体の温間時の前記第1噴射の噴射開始時期よりも進角させかつ、前記第2噴射の噴射開始時期を、前記エンジン本体の温間時の前記第2噴射の噴射開始時期よりも進角させると共に、同じ要求噴射量の温間時よりも局所当量比が高くなるように、前記第1噴射と前記第2噴射との間で燃料噴射が休止される時間間隔を、前記温間時の前記時間間隔よりも狭くして、前記燃料噴射弁に対し、複数回の燃料噴射を実行させる直噴エンジンの燃料噴射制御装置。 An engine body having a combustion chamber defined by a ceiling portion of a cylinder head, a cylinder provided in a cylinder block, and a piston that reciprocates in the cylinder;
Fuel injection having a fuel injection valve arranged to inject liquid fuel into the combustion chamber and configured to inject the fuel into the combustion chamber before the piston reaches top dead center A control unit,
The fuel injection valve is configured such that the effective opening area of the injection hole for injecting fuel increases as the lift amount increases.
The fuel injection control unit
To a warm state of the engine body, before Symbol combustion chamber, so that air-fuel mixture layer and the heat insulation gas layer around it is formed, with respect to the fuel injection valve, in the latter half of the compression stroke, the predetermined lift amount While performing a first injection and then performing a second injection with a lift amount smaller than the first injection by providing a time interval during which the fuel injection is stopped,
When the engine body is cold, the injection start timing of the first injection is advanced with respect to the fuel injection valve during the compression stroke from the injection start timing of the first injection when the engine body is warm. In addition, the injection start timing of the second injection is advanced with respect to the injection start timing of the second injection when the engine body is warm, and the local equivalent ratio is higher than the warm time of the same required injection amount. So that the time interval during which the fuel injection is stopped between the first injection and the second injection is made narrower than the time interval during the warm time , A fuel injection control device for a direct injection engine that executes fuel injection a plurality of times.
前記燃料噴射制御部は、前記エンジン本体の温間時に、圧縮行程の後半において、前記燃料噴射弁に対し、前記第1噴射と、前記第1噴射よりもリフト量が小さくかつ、前記第1噴射よりも噴射期間が長い前記第2噴射と、前記第2噴射の後に、燃料噴射が休止される時間間隔を設けて、前記第2噴射よりもリフト量が小さくかつ、前記第1噴射よりも噴射期間が短い第3噴射を行わせる直噴エンジンの燃料噴射制御装置。In the second half of the compression stroke, when the engine body is warm, the fuel injection control unit has a lower lift amount than the first injection and the first injection, and the first injection. The second injection having a longer injection period and a time interval after which the fuel injection is stopped are provided after the second injection, the lift amount is smaller than the second injection, and the injection is performed more than the first injection. A fuel injection control device for a direct injection engine that performs third injection with a short period.
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