JPH09273435A - 筒内噴射エンジンの混合気成層化方法およびそれに使用する電子式エンジン制御装置 - Google Patents

筒内噴射エンジンの混合気成層化方法およびそれに使用する電子式エンジン制御装置

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JPH09273435A
JPH09273435A JP8083529A JP8352996A JPH09273435A JP H09273435 A JPH09273435 A JP H09273435A JP 8083529 A JP8083529 A JP 8083529A JP 8352996 A JP8352996 A JP 8352996A JP H09273435 A JPH09273435 A JP H09273435A
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air
swirl
mixture
lean
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Minoru Osuga
大須賀  稔
Takuya Shiraishi
拓也 白石
Yoko Nakayama
容子 中山
Mamoru Fujieda
藤枝  護
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Original Assignee
Hitachi Ltd
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    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Abstract

(57)【要約】 【課題】燃料の噴射速度に着目し、スワール形状・強度
と燃料の噴霧速度の組み合わせによりリッチ混合気とリ
ーン混合気とを成層化することにある。 【解決手段】スワール強度を1〜3.5 とし、燃焼室内
に噴射される燃料の噴射速度を5から37m/sあるい
は5から25m/sに設定し、空燃比A/Fをリーン限
界とした。また、制御装置は、スワール強度と燃料噴射
速度からリーン燃焼領域移行を判断する手段を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃式エンジンの
燃焼室内に直接燃料を噴射し、点火プラグ等によって空
気と燃料との混合気に点火して燃焼させて出力を得る筒
内噴射エンジンにおいて、燃焼室内の空気と燃料との混
合気を成層化する方法およびそれに使用する電子式エン
ジン制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】筒内噴射エンジンに関し、特開平2−125
911 号公報には、低負荷時に燃料ピストン頂面の凹状燃
焼室内に噴射させると共に強力なスワール(渦)を生成
させ、また高負荷時は燃料をピストン頂面に噴射させる
と共に弱いスワールを生成させて、ノッキングを抑制し
つつ高出力を得る手段が記載されている。
【0003】また、特開平3−33424号公報および特開平
3−33449号公報には、縦または横スワールを形成し、安
定した着火燃焼をして良好な成層燃焼のために燃焼室形
状の改良について記載されている。
【0004】さらに、特開平5−18244号公報には、筒内
噴射式エンジンにおいて、燃料噴射量に拘らずに点火栓
の周りに良好に着火可能な混合気を形成するために、噴
射量が一定値以下のときにはピストン上面に設けた凹部
低壁面に衝突したすべての噴射燃料が拡散することなく
点火栓下方の凹部端部に向けて進行するようにした燃焼
室形状について記載されている。
【0005】なお、特開平5−33739号の記載によれば、
筒内直接噴射型のフェールインジェクタを簡単な構造で
コンパクトに形成し、噴射をアシストエアによって微粒
化することは知られているところである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従来、筒内噴射エンジ
ンにおいて、リーン限界空燃比の拡大のために燃焼室構
造の改善,スワールの形成改善あるいはピストン頭部を
スワールによる噴霧保持に最適な形状にすることが提案
されて来た。
【0007】本発明は、筒内燃料噴射エンジンにおい
て、燃料の噴射速度に着目し、スワール形状強度と燃料
の噴霧速度の組み合せにより燃料がピストン頭部に衝突
しないようにして成層化を達成し、以ってリーン燃焼、
特に超リーン燃焼を達成することのできる方法を提案す
ることを目的とする。
【0008】本発明は、更には上記方法を実現するため
の電子式エンジン制御装置を提案することを目的とす
る。
【0009】また、本発明は、超リーン状態でもNOx
の排出量を低減できるようにすることにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、筒内に横また
は縦のスワールを形成し、渦中心に低速の燃料を噴霧す
ることにより、噴霧の拡散を防止し、リッチな混合気を
燃焼室中心に保持するようにした。
【0011】低い燃料圧力での吸気行程噴射において筒
内燃料の成層化を行うことがスワール強度を最も強くす
るために望ましい。
【0012】このため、エンジンピストン1往復(また
はクランク1回転)に対しスワール数で定義されるスワ
ール強度と燃料噴霧速度の組み合わせ範囲が選定され
る。縦スワールの場合、ピストン頭部から燃焼室の中心
に向けての、すなわちインジェクタに向けて戻る方向の
縦スワールの存在と燃料噴霧速度の組み合わせが選定さ
れる。
【0013】本発明は、具体的には、次の構成からなる
筒内噴射エンジンの混合気成層化法およびこの方法のた
めに使用される電子式エンジン制御装置を提供する。
【0014】(1)燃焼室内に吸入された空気でその周
囲に横スワール(渦)を発生させ、この横スワールの中
心に向けて燃料を噴霧せしめ、よって室内中心部にリッ
チ混合気を、そしてスワール部にリーン混合気を形成し
て燃焼を行う筒内燃料噴射エンジンの混合気成層化法に
おいて、エンジンピストンの1往復に対しスワール数で
定義されるスワール強度を1から3.5 とし、室内に噴
射される平均粒径30μm以下の燃料の噴霧速度を5か
ら37m/sとしてリッチ混合気をインジェクタからピ
ストン頭部に向けてリーン混合気で包囲せしめるように
なし、前記2つの条件が少なくとも満たされたとき、空
燃比A/Fをリーン(希薄燃焼)限界としたことを特徴
とする。
【0015】(2)燃焼室内に吸入された空気でその周
囲に横スワールを発生させ、この横スワールの中心に向
けて燃料を噴霧せしめ、よって室内中心部にリッチ混合
気を、そして横スワール部にリーン混合気を形成して燃
焼を行う筒内燃料噴射エンジンの混合気層化において、
エンジンピストンの1往復に対しスワール数で定義され
るスワール強度を1から3.5 とし、室内に噴射される
平均粒径30μm以下の燃料の噴霧速度を5から25m
/sとしてリッチ混合気をインジェクタからピストン頭
部に向けてリーン混合気で包囲せしめるようになし、空
燃比A/Fをリーン燃焼限界内で40以上としたことを
特徴とする。
【0016】(3)燃焼室内に吸入された空気でその周
囲に縦スワールを発生させ、この縦スワールの中心に向
けて燃料を噴霧せしめ、よって室内中心部にリッチ混合
気を、そしてスワール部にリーン混合気を形成して燃焼
を行う筒内燃料噴射エンジンの燃料噴射エンジンの混合
気成層化法において、縦スワールをピストン頭部から燃
焼室の中心に向けて、すなわちインジェクタに向けて戻
る方向に形成し、室内に噴射される平均粒径30μm以
下の燃料の噴霧速度を5から37m/sとしてリッチ混
合気をインジェクタからピストン頭部に向けてリーン混
合気で包囲せしめるようになし、前記2つの条件が少な
くとも満たされたとき、空燃比A/Fをリーン限界とし
たことを特徴とする。
【0017】(4)燃焼室内に吸入された空気でその周
囲に縦スワールを発生させ、この縦スワールの中心に向
けて燃料を噴霧せしめ、よって室内中心部にリッチ混合
気を、そしてスワール部にリーン混合気を形成して燃焼
を行う筒内燃料噴射エンジンの燃料噴射エンジンの混合
気成層化法において、縦スワールをピストン頭部から燃
焼室の中心に向けて、すなわちインジェクタに向けて戻
る方向に形成し、室内に噴射される平均粒径30μm以
下の燃料の噴霧速度を5から25m/sとしてリッチ混
合気をインジェクタからピストン頭部に向けてリーン混
合気で包囲せしめるようになし、空燃比A/Fをリーン
限界内で40以上としたことを特徴とする。
【0018】(5)スワール外周部に微量の燃料を噴射
することを特徴とする。
【0019】(6)燃料室内に吸入された空気でその周
囲にスワールを発生させ、このスワールの中心に向けて
燃料を噴霧せしめ、よって室内中心部にリッチ混合気
を、そしてスワール部にリーン混合気を形成して燃焼を
行う筒内燃料噴射エンジンの混合気成層化に使用される
電子式エンジン制御装置において、エンジンへの目標ト
ルクとエンジン回転速度から燃料噴射量を決定し、エン
ジンへの目標トルクとエンジン回転速度から目標空燃比
A/Fを算出する手段,この噴射量に応じてインジェク
タの噴射時間を決定する手段,吸気工程において燃料噴
射時期を算出する手段,目標空燃比からスワール強度を
算出する手段,目標空燃比からリーン薄燃焼領域移行を
判断する手段、とを備えたことを特徴とする。
【0020】(7)スワール外周部に噴射する燃料噴射
量を決定する手段を有することを特徴とする。
【0021】以上のように、スワール強度と燃料噴霧速
度とを適切に選定すると、噴霧された燃料はピストン頭
部に当たらない。
【0022】成層化されたリッチ混合気は空燃比A/F
が25以上にも達し、超リーン燃焼が達成される。通
常、均一リーン限界は23〜25である。
【0023】燃料噴霧速度は、通常、インジェクタの噴
霧口から10mmと40mm間における平均速度が使われ
る。本発明においてもこの定義に従う。
【0024】上記した5m/sは点火プラグ位置との関
係で定めた値であり、37m/sは燃料がピストン頭部
に当たることのない速度であり、実験より定めた値であ
る。燃料噴霧速度は5〜25m/sが実用上望ましい範
囲にある。
【0025】リーン限界空燃比は25であり、本発明に
よればリーン限界空燃比は拡大し、40以上にも設定す
ることができる。従って、リーン燃焼を行う場合、リー
ン燃焼限界内で40以上の空燃比を設定することができ
る。
【0026】インジェクタから噴射される噴霧の、半径
方向分布を選定することにより、周囲に極めて薄い混合
気を分布させ、中心部には濃い混合気を分布させ、NO
x排出量を低減する。これによりリーン運転時のNOx
排出量が低減される。またこれにより燃費を低減し、エ
ンジン効率を向上させることが出来ることは自明であ
る。
【0027】本発明を使用する場合、シリンダ中心部の
スワール強度を高めるために、ピストン頭部の形状を、
中心部が外縁高より高くした凸型ピストンを使用するこ
とができる。
【0028】
【発明の実施の形態】
(実施例)以下、本発明にかかる第1実施例を図面に基
づいて説明する。
【0029】図1に本発明の実施例を示す。エンジンの
燃焼室1に吸気弁2が設けられている。燃焼室1にはさ
らに燃料噴射弁3と点火プラグ4が設けられている。本
発明では、燃料を燃料噴射弁3で燃焼室1内に直接噴射
する、筒内噴射エンジンを対象にしている。燃料噴射弁
3から噴射された燃料は、燃焼室1内に噴霧5を形成す
る。また、吸気管6には空気流を制御する制御弁7が設
けられており、さらにこの制御弁7をバイパスする補助
通路8が設けられている。この補助通路8を通る空気流
により、燃焼室1内に空気の旋回流、つまりスワール9
が形成される。このスワールと噴霧5の特性の組み合わ
せにより、燃料を点火プラグ4周りに集中させる、成層
化を達成する。10はピストンであり、ここでは一般的
なフラット形の頭部形状をしている。図1の実施例で
は、燃料噴射弁3と点火プラグは燃焼室1の中央部付近
で上部に設けられている。このような構成の方が、燃料
を中心部に集めやすく、点火プラグ4の周りに燃料を成
層化しやすい。図1の実施例では、補助通路8は、一本
でも複数本でも良く、そこから吹き出す空気流の方向は
吸気弁2のバルブステム12より、燃焼室1の壁側の吸
気弁2上を向いている。図1(b)に示したように、補
助通路8の空気流の方向は、吸気弁2があいた場合の隙
間を狙った方が、燃焼室1内に効率良く空気が吸入さ
れ、燃焼室1内に確実にスワールが形成される。制御弁
7が閉鎖されている時に、補助通路8から空気が供給さ
れる。
【0030】図2に燃焼室1の詳細図を示す。吸気管6
に設けた、補助通路8により、燃焼室1内にスワール9
が形成される。このスワール9の中心に、燃料噴射弁3
により燃料の噴霧5を噴射する。この噴霧5は、剛体渦
と考えられるスワール9の作用により中心に閉じ込めら
れる。噴射時期がエンジンの吸気行程だとしても、渦の
作用によりこのまま圧縮行程まで、中心に保持される。
中心に保持された燃料は、燃焼室1の中心に設けられた
点火プラグ4により、着火される。つまり、燃料は燃焼
室1の中心に成層化されているので、少ない燃料で燃焼
が実現できる。さらに、図2に示したように、噴霧5が
燃焼室1の上部のみに存在したとすると、上下方向でも
成層化が実現できることになる。このようにすると、さ
らに、少ない燃料で燃焼が実現できる。ここで、前述の
ように噴霧5を燃焼室1の中央に閉じ込めるには、噴射
自体が中心になされること、噴霧5が左右に広がらない
こと、剛体渦であるスワール9が完全に形成されている
ことが必要条件となる。さらに、噴霧5が上下に成層化
されるには、燃料の噴霧5の噴出初速度、飛行中の移動
速度が十分遅いことが必要条件となる。当然のことなが
ら、噴霧5が上下に成層化された場合は、噴霧5はピス
トン10の頭部に、当たる量が低減していなければなら
ない。スワールの生成法の一実施例は、図1に示した。
次に、噴霧5の速度について述べる。
【0031】図3にピストン10の位置移動と噴霧先端
の移動を時間軸に従って示した。ピストン位置はイ,ロ
の曲線で示した。イの方がエンジンの回転数は低い。図
中にa,b,cで示した曲線は、噴霧の先端の移動を示
した。イで示した回転数の場合は、a,bの曲線とな
る。aは噴霧速度が遅い場合、bはそれより速い場合を
示している。aの場合は噴射時期Iを選定すれば、ピス
トンには当たらないようになる。ところが、bの場合
は、噴射時期を選んでもピストンに噴霧が衝突してしま
う。また、回転数が高いロの場合は、噴射時期をIIのよ
うに選定すると、噴霧速度がcの場合は噴霧はピストン
に衝突しない。つまり、噴霧速度が大きければ大きいほ
ど、噴霧がピストンに衝突することなく、燃焼室上部に
存在し、成層化が達成できる。ここで気を付けなければ
ならないのは、噴霧速度があまり小さ過ぎると、噴霧が
点火プラグ位置に到達しなくなる可能性がでてくること
である。このようにならないためには、噴霧が図3の噴
射点からピストンの上死点までの距離は移動しなければ
ならない。この移動には5m/s以上の速度が必要であ
る。点火プラグの設置位置は少なくとも、ピストンが上
死点にきた場合の上部空間になるので、この空間は混合
気で充満させる必要があるので、噴霧速度は5m/s以
上必要である。また、特に成層化度合いを高くしリーン
限界空燃比を40以上とする場合は、燃焼室上部に混合
気を偏在させる必要がある。この場合は、噴霧速度を2
5m/s以下にする必要がある。図3のaの特性がこの
25m/sに相当する。
【0032】図4に噴射時期と噴霧速度の関係を示し
た。領域Aが噴霧がピストンに当たらない関係となる領
域で、それ以外の領域Bは噴霧がピストンに衝突する。
つまり、噴射時期を選定したとしても、37m/s以下
(a)にならないと、噴霧はピストンに衝突する。
【0033】図5にクランク角と燃料の気化率を示す。
吸気行程のある時期で、燃料を燃焼室1内に存在させた
とした場合、圧縮行程でのピストンの上昇とともに圧縮
熱で加熱され、点火時期Mに何パーセント気化したかを
示した図である。燃料の噴霧の粒子径がa,b,cの順
序で大きくなっている。燃料が点火時期までに完全に気
化することが理想的である。cのように粒子径が大きい
と、点火時期での気化率は70%程度になってしまう。
aのように燃料粒子径が小さいと、点火時期Mまえに1
00%気化する。ちょうど点火時期Mで100%気化す
るbのようにするには、30ミクロンメートルの直径の
粒子径をもつ噴霧であればよい。この粒子径の数値は、
レーザなどを利用した計測器で測定した、平均粒子径
で、この値を初期値として気化率を計算した。つまり、
成層化した場合の燃焼を安定化するのは、平均粒子径が
30ミクロンメートル以下の噴霧が必要になる。
【0034】図6は第2実施例であり、スワールを形成
するための吸気管6の形状を示す。吸気弁2が2個設け
られており、吸気管6内の一方の通路には、吸気通路を
閉鎖する制御弁20が設けられている。もう一方の通路
22からのみ吸気を供給する。このような構成では、吸
気弁2の燃焼室1中心側からも吸気23がながれ、中心
に分布している燃料噴霧5を吹き飛ばしてしまい、燃焼
室1中心での成層化が達成できない。つまり、燃焼室1
内の空気流としては、燃焼室1の周囲に沿うような流れ
21が、燃焼室中心の燃料を吹き飛ばすことなく好まし
い。
【0035】図7にスワール比と燃焼効率,燃焼安定度
の関係を示す。スワール比はエンジン1回転のうちに、
燃焼室内の空気が何回転したかを示す指数で、スワール
メータなる計測器で計測できる。このスワール比が1以
下では、1サイクル中に空気流が燃焼室内で一回転しな
いので、燃料を囲むようなスワールが形成されず、噴霧
を燃焼室中心に成層化できない。一方、スワール比が大
きくなって3.5 を超すと、強度の高い空気流により燃
焼火炎や燃焼室壁面が冷却され、燃焼効率が低下し始め
る。つまり、スワール比は1.0 以上3.5 以下の範囲
Aが最適である。また、図7からわかるように、スワー
ル比が大きくなると、燃焼効率やエンジン安定度が向上
する。これはリーン限界空燃比を運転状態によって変え
る場合に、このスワール比を変えることで達成できるこ
とを示している。つまり、後で述べるエンジン制御の制
御変数としてこのスワール比を用いるこどができる。
【0036】図8に第3実施例を示す。吸気管6内に空
気の流れを制御する制御弁25が設けられている。図8
(a)は、吸気弁2が2個の場合、(b)は一個の場合
を示している。いずれの場合も、吸気弁2の燃焼室1壁
側にのみ空気を供給するように、制御弁25が設けられ
ている。図8(a)の場合は、制御弁25は吸気通路2
7を閉鎖しており、さらにもう一方の吸気通路26にも
途中までつきでている。これは、吸気弁2の壁側にのみ
吸気を供給するための構造である。成層化しリーン運転
する場合は、この制御弁25を図8(a)(b)の実線の
ように、吸気通路を閉鎖する。出力を必要とする運転領
域では、制御弁25がじゃまになるので、点線のように
吸気管6に平行になり、吸気をスムーズに流すようにす
る。吸気弁2の燃焼室1壁側に吸気が供給されると、吸
気弁2を通過後も、燃焼室1中心部に噴射される、噴霧
5に吸気があたる割合が小さくなる。このため、燃焼室
1内には、効果的にスワールを形成できるとともに、噴
霧5を燃焼室1の中心部に維持できるようになる。つま
り、燃焼室1の中心部に燃料を成層化して流すことがで
きる。
【0037】図9に第4実施例を示す。吸気管6内に制
御弁30が設けられている。この制御弁30は、成層化
する場合に、吸気通路32にのみ吸気を供給するための
ものである。吸気通路32と反対側の吸気管6壁面に、
制御弁30が開いたときに、空気が流れないように、突
出し壁31が設けられている。制御弁30の開度が小さ
い場合は、突出し壁31側からは空気は流れず、吸気通
路32側からのみ流れるようになっている。ここで、制
御弁30を通過した吸気31は、吸気弁2の燃焼室1の
壁側からのみ供給されるようになる。このようにすれ
ば、前述したように、噴霧5を吹き飛ばすことがなく、
効果的にスワール34が形成できる。出力が必要な運転
域では、制御弁30の開度が大きくなり、制御弁30が
突出し壁31から離れ、空気は両方の吸気通路から流れ
るようになる。この実施例では制御弁30はスロットル
と兼用できる。空燃比をリーンにする場合はエンジンの
負荷が小さい場合で、スロットル開度は小さい。従って
開度が小さい場合は、突出し壁31の作用で吸気は突出
し壁31と反対の方向をながれる。この吸気によって燃
焼室1内にスワールを生成できる。さらに負荷が大きく
なると、スロットル開度を大きくするので、制御弁30
は突出し壁31からはなれ制御弁31の両側から吸気が
ながれるようになる。この場合はリーン運転をしない
か、リーンでも空燃比をあまり大きくしないように設定
する。このように図9のような構成にすると、スワール
用制御弁とスロットルが兼用できる。多気筒エンジンの
場合は、この制御弁は各気筒の独立吸気管に設けられ
る。すなわち、制御弁30の数は、気筒数分だけ必要と
なる。
【0038】図10に本発明の第5実施例を示す。吸気
管6に制御弁35が設けられている。この制御弁35を
バイパスするように、補助通路37,38が設けられて
いる。この補助通路37,38により燃焼室1内に空気
流36を作る。ここでは、この空気流36は、燃焼室1
に入った後、壁に沿ってピストン10の頭部に到達しそ
の後、ピストン10で反射し吹き上がって来るように形
成されている。この空気流36は補助通路37,38の
空気吹きだしの方向によって決まる。ここでは、図10
(b)に示すように、2個の吸気弁2に対して、二つの
補助通路37,38を有し、その出口は両方とも吸気弁
2のバルブステム39に対して燃焼室1の壁側を指向し
ている。このようにすることによって、平面的には壁に
沿う対向した流れが形成される。さらに、図10(a)
に示すように、出口部37aの方が、燃焼室1方向に対
して下がっているように構成する。このようにすること
によって、下向きの流れが燃焼室1内に形成され、燃焼
室1内の空気流36は、壁を沿い下部のピストン10に
衝突し、反転して吹き上がる流れとなる。これにより、
噴霧5は燃焼室1の上部集中するようになる。制御弁3
5が閉鎖されている時が、燃焼室内1に吹き上がる空気
流36が形成される時で、燃料が成層化される。この場
合も、噴霧の燃料粒子径は図5で示した理由により、3
0ミクロンメートルが良い。さらに、図3,図4で示し
たピストンの移動との関係で、噴霧速度は37m/s以
下が良い。また、前述したようにピストン上死点での上
部空間を充満する必要があるので、5m/s以上とする
必要がある。これも、図3で説明した通りである。
【0039】図11に吸気と噴霧の関係を示す。吸気は
噴霧5に直接あたらないように、作用させるのが基本で
ある。燃焼室1の上部に燃料噴射弁3を配置した場合
は、ピストン10が一番下(BDC)にあるとき、図1
1に示したように、噴射弁3の噴射点とピストン10の
外周を結ぶ円錐状になるのが理想的である。噴霧5が燃
焼室1壁面に当たると、そこは温度が低くなっているの
で、燃料が蒸発せず、HCやすすの発生の原因になる。
そこで、図11に示したように、噴霧5をピストン10
の頭部のみに当てるようにする。ここは、高温になって
いるので、衝突した燃料は速く気化し、HCやすすが発
生しづらくなる。
【0040】次に、吸気の導入法を説明する。吸気は燃
料の噴霧5に当てない方が成層化し易いことは前に説明
した。
【0041】図11を例にとって説明すると、吸気弁2
の燃焼室側面の中心点を通り、ピストン10に平行に引
いた面イでの断面を図11の下に示す。この場合噴霧5
は図示したように燃焼室1の中心付近に位置する。ここ
で、吸気を噴霧5に当てないようにするには、図中のA
の範囲に吸気を供給すればよい。これは、吸気管の構造
によって、達成する。少なくとも、吸気管内の吸気の方
向を、この範囲内に狙うようにする。
【0042】図12に図11に示した、燃焼室壁からの
距離xと成層化度を示すリーン限界の関係を示す。図1
2に示したように、吸気がAの範囲内に集中している場
合は、リーン限界空燃比は大きくなる。吸気の供給位置
がAの範囲を超えると、吸気によって噴霧は曲げられ、
リーン限界空燃比は急激に低下する。
【0043】図13に吸気をA領域に供給するための吸
気管の第6実施例を示す。吸気管6内に隔壁41と制御
弁40が設けられている。制御弁40を閉じた場合、吸
気は吸気管6の隔壁41の制御弁40と反対側のa領域
を流れる。この吸気42は燃焼室1を上から見た場合、
噴霧5に当たらないようにaを決めて、隔壁41の位置
を設定する。この場合、上から見た場合の噴霧5とは、
図11で説明した吸気弁2の中心位置を通る面で噴霧を
切った場合の断面位置を示す。つまり、隔壁41の位置
はa≦Aとなるように設定することが重要である。この
断面位置を確認する場合は、例えば、燃料噴射弁3を大
気中で噴射させ、噴霧にストロボを照射し、写真撮影し
て決定する方法がある。
【0044】図14に本発明の筒内噴射エンジン50を
含む、パワートレーンシステムの構成を示す。排気管5
1には触媒52が設けられている。エンジン50自体が
成層化してリーンバーン運転をするので、この触媒52
は酸化雰囲気でもNOxを還元できる機能を有するもの
が好適である。この場合の還元剤は排気中のHC(未燃
炭化水素)が一般的である。吸気管6には燃焼室1内に
スワールを生成するための装置53が設けられている。
この吸気装置は例えば、図1や図13などを示してい
る。さらに、吸気管6にはスロットルをモータで駆動す
る電子スロットル54と、エンジンに吸入される空気量
を計測する空気流量計55が設けられている。エンジン
には燃料噴射弁3と点火プラグ4が設けられている。エ
ンジンの出力軸56にはクランク角センサ57が設けら
れている。さらに、変速機58のギア59を直接切り替
える油圧制御弁60が設けられている。以上のセンサ,
アクチュエータを統合的に制御するコントローラ61が
設けられており、配線されている。空気流量計55で吸
入される空気量を検出し、これに見合った量の燃料が燃
料噴射弁3から噴射される。その後、点火時期に点火プ
ラグ4で火花を形成し、混合気に着火する。クランク角
センサ57はそれらのタイミングを取るための信号を作
る。リーンバーン時のトルク制御をするために、吸入さ
れる空気量を電子スロットル54で自在に制御する。さ
らに、車輪に伝わるトルクを制御するには、変速機58
のギア比を制御する。
【0045】図15(a)にエンジンを運転する場合
の、コントローラ61内に記憶されている空燃比のマッ
プを示した。回転数とエンジントルクによって空燃比が
記憶されている。低回転,低トルクの場合に燃料を成層
化し、空燃比40程度以上に設定してリーンバーン運転
をする。トルクが大きくなるに従って空燃比が小さくな
るように設定されている。トルクの必要とするところ
は、空燃比12のリッチに設定する。
【0046】図15(b)にアクセル開度とスロットル
開度の関係を示した。アクセル開度をトルクは比例的に
関連している。通常のエンジンでは太い点線で示したよ
うに、アクセル開度とスロットル開度は1対1の関係に
なっている。本発明では、設定される空燃比によって図
に示したように、段階的に電子スロットルによって設定
される。例えば空燃比が40の場合、トルクの低下を補
うために、スロットルを大きく開いて空気量を増す。空
燃比40から30に移行する場合は、燃料量を一定にし
て、図に示したように電子スロットルでスロットル開度
を小さくして、その後空燃比を30に設定する。このよ
うにすることにより、トルクの段差なしに運転できる。
【0047】図16に燃噴射開始時期とエンジンの安定
度の関係を示す。安定度の限界はイの直線以下に設定す
る必要がある。この特性からわかるように、噴射時期は
吸気行程に設定する必要がある。
【0048】図17(a)にコントローラ61にプログ
ラムされた制御のフローチャートを示す。空気量計55
で空気量を計測し、現在の回転数,トルクを読みだす。
トルクはアクセル開度から判断する。記憶された設定空
燃比を読みだし、その後燃料量すなわち噴射時間幅,必
要な空気量,スロットル開度を順次決定する。スロット
ル開度は目標トルクから演算する。次に燃料噴射時期,
点火時期,変速機の変速比を順次決定する。それぞれの
決定した値を、タイミングをとって電子スロットル5
4,燃料噴射弁3,点火プラグ4,油圧制御弁60に出
力する。
【0049】また、設定空燃比によってスワール強度を
変える場合の制御フローを図17(b)に示す。図7で
述べたように、スワール比(強度)によってエンジンの
安定度がかわるので、リーン限界空燃比も変わる。ここ
では、これを制御に積極的に適応した。設定空燃比が決
まったら、ステップ100でスワール強度を決定する。
その後は図17(a)に示したフローと同じように制御
する。但し、ステップ101でこのスワール強度に対応
した、スワールの制御弁の開度を図14に示した装置5
3に出力する。装置53では制御弁を電気的または負圧
制御等で制御し、所望のスワールの制御弁の開度に設定
する。
【0050】図18に吸気系の第7実施例を示す。図1
0に示した方法の代案である。燃焼室1内に縦方向の渦
70を生成し、噴霧5を燃焼室上方に集中させる方法で
ある。ここでは、強い縦渦(タンブル流)を生成するた
めに、制御弁71をバイパスする補助通路72は複数の
ものを平行配置した。しかも、ふたつの補助通路72は
その中心距離aは、バルブステムの中心距離bよりも小
さくなるように配置した。このようにすると、吸気弁2
の内側を空気流が通過するので、燃焼室1の中心部に強
力なタンブル流が形成され、この吹き上げて来る流れに
より、噴霧5が上部に形成される。
【0051】図19に噴霧粒子径を変えた場合の、実験
により求めた噴霧速度とリーン限界の関係を示した。前
に述べた粒子径30ミクロンメートルの場合で、リーン
限界空燃比が40を超すには、噴霧速度を25m/s以
下(イ)にする必要がある。空燃比40以上にすること
により、燃費の向上しろが大きくなる。また、噴霧粒子
径が20ミクロンメートルの場合は、38m/s以下と
なる。同じように噴霧粒子径が40ミクロンメートルの
場合は、17m/s以下となる。このように噴霧粒子径
が大きい場合でも、速度を低下させることにより、空燃
比40以上を達成できる。噴射弁の噴霧粒子径と噴霧速
度を計測し、図19のような範囲に入っていることが、
リーン限界を大きくすることの必要条件となる。
【0052】図20に第8実施例を示す。噴霧5の噴霧
角を図1の実施例より大きくし、噴霧5の外周部のスワ
ール9内に少量の燃料を混入させるようにした(図中点
線楕円イ部)。このようにすれば、燃焼室1の中心部に
リッチな混合気、その外周部のスワール内にごく希薄な
混合気を存在させることができる。着火は確実になり、
その後の火炎の伝ぱんも外周部の希薄な混合気で促進さ
れる。この場合、希薄な混合気は中心部からの火炎で着
火されるので、希薄でも安定して燃焼できる。
【0053】
【発明の効果】本発明によれば、スワール形状・強度と
燃料噴霧速度とが適切に選定され、噴霧された燃料はピ
ストン頭部に当たらない。成層化されたリッチ混合気は
空燃比A/Fが25以上に達し、リーン燃焼を達成する
ことが出来る。リーン限界空燃比を拡大することがで
き、40以上とすることができ、超リーン燃焼が達成さ
れる。
【0054】リーン状態、更には超リーン状態にあって
もNOxの排出量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例の吸気系の構成図。
【図2】シリンダ内の混合気の状態および成層化の原理
図。
【図3】噴霧移動の計算結果を示す説明図。
【図4】噴射時期と噴霧速度の関係図。
【図5】燃料の気化特性図。
【図6】本発明の第2実施例の吸気系の構成図。
【図7】スワール比と燃焼効率,安定度の関係図。
【図8】本発明の第3実施例の吸気系の構成図。
【図9】本発明の第4実施例の吸気系の構成図。
【図10】本発明の第5実施例の吸気系の構成図。
【図11】噴霧と空気流の関係を説明する図。
【図12】リーン限界空燃比と吸気供給範囲の関係図。
【図13】本発明の第6実施例の吸気系の構成図。
【図14】本発明のエンジンを搭載した、パワートレー
ンシステム図。
【図15】空燃比およびスロットルの基本動作マップの
図。
【図16】噴射タイミングとリーン限界空燃比の関係
図。
【図17】制御のフローチャート。
【図18】本発明の第7実施例の吸気系の構成図。
【図19】リーン限界空燃比と噴霧速度の関係図。
【図20】本発明の第8実施例の吸気系の構成図。
【符号の説明】
1…燃焼室、2…吸気弁、3…燃料噴射弁、4…点火プ
ラグ、5…噴霧、6…吸気管、7,20,25,30,
35,40,71…制御弁、8,37,38…補助通
路、53…装置、61…コントローラ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 F02B 31/02 F02B 31/02 J F02D 41/04 305 F02D 41/04 305B F02M 69/00 310 F02M 69/00 310C 360 360C (72)発明者 藤枝 護 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】燃焼室内に空気のスワールを発生させ、燃
    料を噴霧して混合気を形成させて燃焼が行われる筒内噴
    射エンジンの混合気成層化方法において、 前記燃焼室内に吸入される空気によってその周囲にスワ
    ールを発生させ、 インジェクタにより前記スワールの中心に向けて燃料を
    噴霧し、 前記燃焼室内の中心領域に空気と燃料の重量比が14.
    7 近傍であるリッチ混合気を、前記スワールがある領
    域に空気と燃料の重量比が14.7 以上であるリーン混
    合気を形成し、 前記リッチ混合気を前記インジェクタから前記ピストン
    の頭部に向けて前記リーン混合気で包囲せしめるように
    形成させ、 以上の条件が満たされたときの前記空気の量と前記燃料
    の噴霧の量との重量比を前記筒内噴射エンジンの希薄燃
    焼限界と認識し、 該希薄燃焼限界の値を用いて前記筒内噴射エンジンの燃
    焼を制御することを特徴とする筒内噴射エンジンの混合
    気成層化方法。
  2. 【請求項2】請求項1の記載において、 前記燃焼室内に吸入される空気が流れる通路に設けられ
    た該通路内の断面積を変える制御弁の作動と、前記筒内
    噴射エンジンに吸入される空気の量を制御するスロット
    ルバルブの作動とから、前記燃焼室内に発生する前記ス
    ワールが制御されることを特徴とする筒内噴射エンジン
    の混合気成層化方法。
  3. 【請求項3】燃焼室内に空気のスワールを発生させ、燃
    料を噴霧して混合気を形成させて燃焼が行われる筒内噴
    射エンジンの混合気成層化方法において、 前記燃焼室内に吸入される空気によってその周囲に横ス
    ワールを発生させ、 インジェクタにより前記横スワールの中心に向けて燃料
    を噴霧し、 前記燃焼室内の中心領域に空気と燃料の重量比が14.
    7 近傍であるリッチ混合気を、前記横スワールがある
    領域に空気と燃料の重量比が14.7 以上であるリーン
    混合気を形成し、 前記筒内噴射エンジンのピストンの1往復に対する前記
    横スワールの数で定義されるスワール強度を1から3.
    5 とし、 前記リッチ混合気を前記インジェクタから前記ピストン
    の頭部に向けて前記リーン混合気で包囲せしめるように
    形成させ、 前記燃焼室内に噴霧される前記燃料の平均粒径が30マ
    イクロメートル以下である燃料粒の速度を5から37メ
    ートル毎秒とし、 以上の条件が満たされたときの前記空気の量と前記燃料
    の噴霧の量との重量比を前記筒内噴射エンジンの希薄燃
    焼限界と認識し、 該希薄燃焼限界の値を用いて前記筒内噴射エンジンの燃
    焼を制御することを特徴とする筒内噴射エンジンの混合
    気成層化方法。
  4. 【請求項4】燃焼室内に空気のスワールを発生させ、燃
    料を噴霧して混合気を形成させて燃焼が行われる筒内噴
    射エンジンの混合気成層化方法において、 前記燃焼室内に吸入される空気によってその周囲に横ス
    ワールを発生させ、 インジェクタにより前記横スワールの中心に向けて燃料
    を噴霧し、 前記燃焼室内の中心領域に空気と燃料の重量比が14.
    7 近傍であるリッチ混合気を、前記横スワールがある
    領域に空気と燃料の重量比が14.7 以上であるリーン
    混合気を形成し、 前記筒内噴射エンジンのピストンの1往復に対する前記
    横スワールの数で定義されるスワール強度を1から3.
    5 とし、 前記リッチ混合気を前記インジェクタから前記ピストン
    の頭部に向けて前記リーン混合気で包囲せしめるように
    形成させ、 前記燃焼室内に噴霧される前記燃料の平均粒径が30マ
    イクロメートル以下である燃料粒の速度を5から25メ
    ートル毎秒とし、 以上の条件が満たされたときの前記空気の量と前記燃料
    の噴霧の量との重量比を前記筒内噴射エンジンの希薄燃
    焼限界と認識し、 該希薄燃焼限界内の燃焼可能な領域で、前記空気の量と
    前記燃料の噴霧の量との重量比を40以上とし、 該希薄燃焼限界の値と前記空気の量と前記燃料の噴霧の
    量との重量比の値とを用いて前記筒内噴射エンジンの燃
    焼を制御することを特徴とする筒内噴射エンジンの混合
    気成層化方法。
  5. 【請求項5】請求項3または4のいずれかの記載におい
    て、 前記横スワールの外周部に微量の燃料を噴霧することを
    特徴とする筒内噴射エンジンの混合気成層化方法。
  6. 【請求項6】燃焼室内に空気のスワールを発生させ、燃
    料を噴霧して混合気を形成させて燃焼が行われる筒内噴
    射エンジンの混合気成層化方法において、 前記燃焼室内に吸入される空気によってその周囲に縦ス
    ワールを発生させ、 インジェクタにより前記縦スワールの中心に向けて燃料
    を噴霧し、 前記燃焼室内の中心領域に空気と燃料の重量比が14.
    7 近傍であるリッチ混合気を、前記縦スワールがある
    領域に空気と燃料の重量比が14.7 以上であるリーン
    混合気を形成し、 前記縦スワールを前記筒内噴射エンジンのピストンの頭
    部から前記燃焼室の中心領域の前記インジェクタの方向
    に向けて戻る方向に形成し、 前記リッチ混合気を前記インジェクタから前記ピストン
    頭部に向けて前記リーン混合気で包囲せしめるように形
    成させ、 前記燃焼室内に噴霧される前記燃料の平均粒径が30マ
    イクロメートル以下である燃料粒の速度を5から35メ
    ートル毎秒とし、 以上の条件が満たされたときの前記空気の量と前記燃料
    の噴霧の量との重量比を前記筒内噴射エンジンの希薄燃
    焼限界と定義し、 該希薄燃焼限界の値を用いて前記筒内噴射エンジンの燃
    焼を制御することを特徴とする筒内噴射エンジンの混合
    気成層化方法。
  7. 【請求項7】燃焼室内に空気のスワールを発生させ、燃
    料を噴霧して混合気を形成させて燃焼が行われる筒内噴
    射エンジンの混合気成層化方法において、 前記燃焼室内に吸入される空気によってその周囲に縦ス
    ワールを発生させ、 インジェクタにより前記縦スワールの中心に向けて燃料
    を噴霧し、 前記燃焼室内の中心領域に空気と燃料の重量比が14.
    7 近傍であるリッチ混合気を、前記縦スワールがある
    領域に空気と燃料の重量比が14.7 以上であるリーン
    混合気を形成し、 前記縦スワールを前記筒内噴射エンジンのピストンの頭
    部から前記燃焼室の中心領域の前記インジェクタの方向
    に向けて戻る方向に形成し、 前記リッチ混合気を前記インジェクタから前記ピストン
    頭部に向けて前記リーン混合気で包囲せしめるように形
    成させ、 前記燃焼室内に噴霧される前記燃料の平均粒径が30マ
    イクロメートル以下である燃料粒の速度を5から25メ
    ートル毎秒とし、 以上の条件が満たされたときの前記空気の量と前記燃料
    の噴霧の量との重量比を前記筒内噴射エンジンの希薄燃
    焼限界と定義し、 該希薄燃焼限界内の燃焼可能な領域で、前記空気の量と
    前記燃料の噴霧の量との重量比を40以上とし、 該希薄燃焼限界の値と前記空気の量と前記燃料の噴霧の
    量との重量比の値とを用いて前記筒内噴射エンジンの燃
    焼を制御することを特徴とする筒内噴射エンジンの混合
    気成層化方法。
  8. 【請求項8】請求項6または7のいずれかの記載におい
    て、 前記縦スワールの外周部に微量の燃料を噴霧することを
    特徴とする筒内噴射エンジンの混合気成層化方法。
  9. 【請求項9】燃料室内に空気のスワールを発生させ、燃
    料を噴霧して混合気を形成させて燃焼が行われる筒内噴
    射エンジンの混合気成層化に使用される電子式エンジン
    制御装置において、 前記筒内噴射エンジンの出力トルクの目標値を目標トル
    クとして決定する目標トルク決定手段と、 前記筒内噴射エンジンのエンジン回転速度と前記目標ト
    ルクとから燃料の供給量を決定する燃料供給量決定手段
    と、 前記筒内噴射エンジンのエンジン回転速度と前記目標ト
    ルクとから空燃比の目標値を目標空燃比として算出する
    目標空燃比算出手段と、 前記目標空燃比から前記スワールの強度を算出するスワ
    ール強度算出手段と、 前記目標空燃比から前記筒内噴射エンジンの燃焼状態が
    空燃比17.4 以上の希薄燃焼領域に移行したか否かを
    判断する希薄燃焼領域移行判断手段と、 前記燃料供給量決定手段からの燃料供給量を示す信号
    と、前記スワール強度算出手段からのスワール強度を示
    す信号と、前記希薄燃焼領域移行判断手段からの希薄燃
    焼領域に移行したか否かを示す信号とから、前記筒内噴
    射エンジンの実際の空燃比が前記目標空燃比になるよう
    に前記筒内噴射エンジンを制御する空燃比制御手段とを
    備えたことを特徴とする電子式エンジン制御装置。
  10. 【請求項10】請求項9の記載において、 前記スワールの外周部に燃料を噴射する燃料噴射手段
    と、 該燃料の噴射量を演算する燃料噴射量演算手段とを有す
    ることを特徴とする電子式エンジン制御装置。
  11. 【請求項11】請求項9の記載において、 前記燃焼室内に吸入される空気が流れる通路に該通路内
    の断面積を変える制御弁を設け、 前記筒内噴射エンジンに吸入される空気の量を制御する
    スロットルバルブを設け、 前記燃焼室内に発生する前記スワールは前記制御弁の作
    動と前記スロットルバルブの作動とを併用して制御され
    ることを特徴とする電子式エンジン制御装置。
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