JP6555309B2 - エンジンの燃料噴射装置 - Google Patents
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Description
本願発明者らは、SI(Spark Ignition)燃焼とCI(Compression Ignition)燃焼とを組み合わせる燃焼形態を考えた。SI燃焼は、燃焼室の中の混合気に強制的に点火を行うことにより開始する火炎伝播を伴う燃焼である。CI燃焼は、燃焼室の中の混合気が圧縮自己着火することにより開始する燃焼である。SI燃焼とCI燃焼とを組み合わせた燃焼形態とは、燃焼室の中の混合気に強制的に点火を行って、火炎伝播による燃焼を開始させると、SI燃焼の発熱及び火炎伝播による圧力上昇によって、燃焼室の中の未燃混合気が圧縮着火により燃焼する形態である。この燃焼形態を、以下においてはSPCCI(SPark Controlled Compression Ignition)燃焼と呼ぶ。
図1に、このSPCCI燃焼による燃焼技術を適用したエンジンの全体構成を示す。エンジン1は、燃焼室17が吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を繰り返すことにより運転する4ストロークエンジンである。エンジン1は、四輪の自動車に搭載される。エンジン1が運転することによって、自動車は走行する。エンジン1の燃料は、この構成例においてはガソリンである。燃料は、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよい。エンジン1の燃料は、少なくともガソリンを含む液体燃料であれば、どのような燃料であってもよい。
図5Aは、エンジン1の運転領域を例示している。エンジン1の運転領域は、負荷及び回転数によって定められており、負荷の高低及び回転数の高低に対し、大きく五つの領域に分けられている。具体的に、五つの領域は、アイドル運転を含みかつ、低回転及び中回転の領域に広がる低負荷領域(1)−1、低負荷領域よりも負荷が高くかつ、低回転及び中回転の領域に広がる中負荷領域(1)−2、中負荷領域(1)−2よりも負荷が高い領域でかつ、全開負荷を含む高負荷領域の中回転領域(2)、同じく高負荷領域において中回転領域(2)よりも回転数の低い低回転領域(3)、及び、低負荷領域(1)−1、中負荷領域(1)−2、高負荷中回転領域(2)、及び、高負荷低回転領域(3)よりも回転数の高い高回転領域(4)である。
エンジン1が低負荷領域で運転しているときには、燃料噴射量が少なく、燃焼室17の内部の温度も低い。そのため、所定の圧力及び温度に達することで自己着火するCI燃焼は、安定して行えない。燃料が少ないため、点火による着火も困難でSI燃焼も不安定になる。エンジン1の低負荷運転領域における燃焼室17の内部全体での空燃比(A/F)は、例えば30以上40以下である。
本発明者らは、燃焼室内での混合気分布を高精度に制御するために、スワール流に着目した。スワール流は、シリンダの中心軸と直交する方向に形成される旋回流(横渦)である。そのため、燃焼室の容積が大小に変化する方向に形成されるタンブル流(縦渦)とは異なり、燃焼室の容積の変化やエンジンの回転速度の影響をほとんど受けることがない。
スワール流を利用して混合気分布をコントロールするためには、燃料が、30MPa以上120MPa以下の範囲の圧力で、インジェクタ6から噴射されるようにするのが好ましい。
強いスワール流は、混合気分布を燃焼に適した状態にコントロールするためには重要である。
スワール流は、タンブル流ほど、エンジン1の回転速度の影響を受けることがない。そのため、エンジン1の回転速度が変化しても、安定した着火が可能になる燃焼の噴射タイミングは大きく変化しない。従って、スワール流を利用すれば、エンジン1の回転数(回転速度)に依存することなく、混合気分布の制御が行える。
スワール流を利用した混合気分布の制御により、低NOxで低燃料量な燃料噴射で安定した燃焼が実現できる噴射タイミングを探索すべく、解析を行った。図14に、その解析の一例を示す。この解析では、エンジン回転数を2000pmとし、A/Fが30となるように一括噴射を行った。尚、スワール比は4以上である。
図6の符号601は、エンジン1が低負荷領域(1)−1において、運転状態601にて運転しているときの燃料噴射時期(符号6011、6012)及び点火時期(符号6013)、並びに、燃焼波形(つまり、クランク角に対する熱発生率の変化を示す波形、符号6014)それぞれの一例を示している。具体的には、後述する低(中)負荷領域における燃料噴射時期を示している。図5Aに、運転状態601に対応する運転領域を黒丸601によって示す。
エンジン1が中負荷領域(1)−2において運転しているときも、低負荷領域(1)−1と同様に、エンジン1は、SPCCI燃焼を行う。
エンジン1が高負荷中回転領域(2)において運転しているときも、低負荷領域(1)−1及び中負荷領域(1)−2と同様に、エンジン1は、SPCCI燃焼を行う。
エンジン1の回転数が低いと、クランク角が1°変化するのに要する時間が長くなる。高負荷低回転領域(3)において、高負荷中回転領域(2)と同様に、例えば吸気行程や圧縮行程の前半に、燃焼室17内に燃料を噴射すると、燃料の反応が進みすぎてしまって過早着火を招く恐れがある。エンジン1が高負荷低回転領域(3)において運転しているときには、前述したSPCCI燃焼を行うことが困難になる。
エンジン1の回転数が高いと、クランク角が1°変化するのに要する時間が短くなる。そのため、例えば高負荷領域における高回転領域において、前述したように、圧縮行程中に分割噴射を行うことにより、燃焼室17内において混合気の成層化をすることが困難になる。エンジン1の回転数が高くなると、前述したSPCCI燃焼を行うことが困難になる。
次に、図18のフローチャートを参照しながら、ECU10が実行するエンジン1の運転制御について説明をする。先ず、スタート後のステップS1において、ECU10は、各センサSW1〜SW16の信号を読み込む。ECU10は、続くステップS2において、エンジン1の運転領域を判断する。
尚、ここに開示する技術は、前述した構成のエンジン1に適用することに限定されない。エンジン1の構成は、様々な構成を採用することが可能である。
10 ECU(制御部)
17 燃焼室
25 点火プラグ(点火部)
3 ピストン
56 スワールコントロール弁(スワール発生部)
6 インジェクタ(燃料噴射部)
Claims (7)
- シリンダの内部をその中心軸に沿って摺動するピストンで底面が区画された燃焼室を有するエンジンの燃料噴射装置であって、
前記燃焼室の内部に燃料を噴射する燃料噴射部と、
前記燃焼室の内部に前記中心軸に対して傾斜した方向に流れる斜めのスワール流を発生させるスワール発生部と、
前記燃料噴射部を制御する制御部と、
を備え、
前記燃料噴射部は、前記スワール発生部によって発生された前記スワール流に噴霧が到達する、少なくとも第1燃料及び第2燃料を含む複数の燃料を噴射し、
前記第1燃料の噴霧が前記スワール流に到達した後、前記第2燃料の噴霧が、前記スワール流によって前記第1燃料の噴霧が移動した位置に到達するよう、構成されていて、
前記燃料噴射部は、前記燃焼室の中央部に配置されると共に、噴射方向が周方向で異なる少なくとも第1噴射孔及び第2噴射孔を有し、
前記第1燃料は前記第1噴射孔から、前記第2燃料は前記第2噴射孔から、それぞれ同時に噴射されるエンジンの燃料噴射装置。 - 請求項1に記載のエンジンの燃料噴射装置において、
前記スワール発生部が、スワール比が4以上のスワール流を発生させるエンジンの燃料噴射装置。 - 請求項1又は請求項2に記載のエンジンの燃料噴射装置において、
30MPa以上120MPa以下の範囲の圧力で、前記第1燃料及び前記第2燃料が噴射されるよう、前記制御部が前記燃料噴射部を制御するエンジンの燃料噴射装置。 - シリンダの内部をその中心軸に沿って摺動するピストンで底面が区画された燃焼室を有し、当該燃焼室の内部において、火炎伝播により混合気がSI燃焼を開始した後、自己着火により未燃混合気がCI燃焼するエンジンの燃料噴射装置であって、
前記燃焼室の中央部で点火する点火部と、
前記燃焼室の内部に燃料を噴射する燃料噴射部と、
前記燃焼室の内部に前記中心軸に対して傾斜した方向に流れる斜めのスワール流を発生させるスワール発生部と、
前記点火部、及び前記燃料噴射部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記スワール発生部がスワール流を発生した後の所定の噴射タイミングで燃料が噴射されるように、前記燃料噴射部を制御し、燃料の噴射の終了後の所定の点火タイミングで点火するように、前記点火部を制御し、
前記燃料噴射部は、前記噴射タイミングで燃料を噴射するときに、前記スワール発生部によって発生された前記スワール流に噴霧が到達する、少なくとも第1燃料及び第2燃料を含む複数の燃料を噴射し、
前記第1燃料の噴霧が前記スワール流に到達した後、前記第2燃料の噴霧が、前記スワール流によって前記第1燃料の噴霧が移動した位置に到達するよう、構成されていて、
前記燃料噴射部は、前記燃焼室の中央部に配置されると共に、噴射方向が周方向で異なる少なくとも第1噴射孔及び第2噴射孔を有し、
前記第1燃料は前記第1噴射孔から、前記第2燃料は前記第2噴射孔から、それぞれ同時に噴射されるエンジンの燃料噴射装置。 - 請求項4に記載のエンジンの燃料噴射装置において、
前記スワール発生部が、スワール比が4以上のスワール流を発生させるエンジンの燃料噴射装置。 - 請求項4又は請求項5に記載のエンジンの燃料噴射装置において、
30MPa以上120MPa以下の範囲の圧力で、前記第1燃料及び前記第2燃料が噴射されるよう、前記制御部が前記燃料噴射部を制御するエンジンの燃料噴射装置。 - 請求項4〜請求項6のいずれか1つに記載のエンジンの燃料噴射装置において、
前記噴射タイミングが複数設定されており、
前記噴射タイミングの各々で噴射される燃料によって形成される混合気分布の重心が、前記点火タイミングで前記燃焼室の中央部に位置するよう、前記制御部が、前記点火部、及び前記燃料噴射部を制御するエンジンの燃料噴射装置。
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