JP2007270670A - 予混合圧縮自己着火型のガソリン内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】制御系の負荷が少なく、圧縮自己着火燃焼を安定して行える予混合圧縮自己着火型のガソリン内燃機関を提供する。
【解決手段】本発明に係る予混合圧縮自己着火型のガソリン内燃機関は、燃焼室４０の略中央に配置されて燃料を噴射する燃料噴射弁１５と、燃焼室に通じる吸気流路１２を狭めることで吸気流動を促進させる吸気流動制御弁３７と、機関の圧縮行程後期から圧縮上死点までの所定の範囲で、要求燃料噴射量の全量を一度に噴射するように燃料噴射弁１５の駆動を制御するとともに、吸気流動制御弁３７が吸気流動を促進させる位置を占めるように制御して燃焼室内の混合気を圧縮自己着火させる制御手段３１とを有することを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、予混合圧縮自己着火燃焼を行わせるガソリン内燃機関に関する。

近年、ガソリンを燃料とする内燃機関において、圧縮自己着火燃焼を行わせる内燃機関が提案されている。一般に、圧縮自己着火燃焼は、予混合気を形成し、ピストンの圧縮が進むことで自己着火するので、火炎伝播による燃焼と異なり、局所的な燃焼温度が低く、ＮＯｘが極微量にしか発生しないという利点がある。その反面、均質な混合気場においては、シリンダ内全域が一斉に着火するため、負荷の上昇に伴って混合気をリッチ化すると、シリンダ内の圧力上昇率が大きくなりすぎ、振動・騒音が大きくなるという問題がある。そこで、圧縮自己着火燃焼運転を行わせる負荷領域を高負荷側に拡大するためには、着火時期が上死点付近になるようにすることで、シリンダ内の圧力上昇率を抑制する必要がある。

特許文献１には、燃焼室の周辺部に燃料噴射弁を備えると共に、ピストン冠面の燃料噴射弁側の端部に第１凹室を、第１凹室に対して燃料噴射弁の軸線方向に隣接する第２凹室を形成し、燃料噴射弁で第１凹室及び第２凹室にそれぞれ噴射時期を変えて燃料を噴射して異なる濃度の混合気を形成して圧縮自己着火燃焼を行う内燃機関が開示されている。

特開２００２−１９５０４０号公報

特許文献１に記載のものは、１サイクルにおいて燃料噴射弁から二度燃料を噴射して第１凹室にリッチな混合気を、第２凹室にリーンな混合気をそれぞれ生成し、最初に第１凹室にリッチな混合気を圧縮自己着火させ、その発熱によって隣接する第２凹室に配したリーンな混合気を圧縮自己着火燃焼に至らしめる二段階燃焼を行っているので、噴射時期を１サイクルで二度制御することになり制御系の負荷が大きくなると共に、二段階の燃焼を行うため、状況によっては燃焼が不安定になり易い。
本発明は、制御系の負荷が少なく、圧縮自己着火燃焼を安定して行える予混合圧縮自己着火型のガソリン内燃機関を提供することを、その目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１の発明では、燃焼室の略中央に配置されて燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃焼室に通じる吸気流路を狭めることで吸気流動を促進させる吸気流動制御弁と、機関の圧縮行程後期から圧縮上死点までの所定の範囲で、要求燃料噴射量の全量を一度に噴射するように燃料噴射弁の駆動を制御するとともに、吸気流動制御弁が吸気流動を促進させる位置を占めるように制御して燃焼室内の混合気を圧縮自己着火させる制御手段とを有することを特徴としている。
請求項２の発明では、所定の範囲が圧縮上死点前４０°から圧縮上死点までの範囲であることを特徴とし、請求項３の発明では、料噴射弁は多噴孔であることを特徴としている。

本発明によれば、燃料噴射弁を燃焼室の略中央に配置し、機関の圧縮行程後期から圧縮上死点までの所定の範囲で要求燃料噴射量の全量を１度に噴射させ、吸気流動制御弁が吸気流動を促進させる位置を占めるように制御することで、高圧でかつ吸気流動が促進された燃焼室の吸気に対して燃焼室の中央から燃料が噴射されて霧化された燃料が一気に混合されるため、短期間で予混合が一気に行われて圧縮自己着火燃焼が圧縮上死点近傍で安定して発生し易くなり、自己着火燃焼の早期発生や遅れによる不具合を低減することができる。また、圧縮上死点前という限られた期間において燃料噴射を複数回実行してないので、制御系への負担を軽減することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。図１において、符号１は内燃機関であるエンジンを示す。このエンジン１は、シリンダブロック２ａに形成されたシリンダ２ｂと、その内部を上下に往復移動するピストン１６と、シリンダブロック２ａの上部に設けられたシリンダーヘッド２によって燃焼室４０が形成されている。ピストン１６はその冠面が一様にくぼんだボール型とされている。このエンジン１の動弁機構はＤＯＨＣ４バルブ式が採用されている。吸気側の動弁機構５０は、吸気流路１２と燃焼室４０とを連通するようにシリンダーヘッド２に形成された吸気ポート１１を開閉する吸気弁７ａと、吸気弁７ａの上端に図示しないロッカーアームを介して当接する吸気カム３ａが形成された吸気カムシャフト２１と、吸気弁７ａを閉弁方向に付勢する周知のバルブスプリングとから構成されている。排気側の動弁機構５１は、燃焼室４０に通じるようにシリンダーヘッド２に形成された排気ポート１７を開閉する排気弁７ｂと、排気弁７ｂの上端に図示しないロッカーアームを介して当接する排気カム３ｂが形成された排気カムシャフト２２と、排気弁７ｂを閉弁方向に付勢する周知のバルブスプリングとから構成されている。

吸気カムシャフト２１と排気カムシャフト２２の各端には、タイミングプーリ４ａ，４ｂがそれぞれ装着されている。これらタイミングプーリ４ａ，４ｂは図示しないタイミングベルトを介してクランク軸６に連結されている。タイミングプーリ４ａ，４ｂとカムシャフト２１，２２は、クランク軸６の回転に伴って回転駆動され、これらのカムシャフト２１，２２により吸気弁７ａ及び排気弁７ｂがエンジン１の回転に同期して開閉駆動される。本形態では、基本的に吸気流動として燃焼室４０内にタンブル流が発生する構造となっている。

シリンダーヘッド２には、燃焼室内へ燃料を噴射する燃料噴射手段としての燃料噴射弁１５と、燃焼室４０に臨み燃焼室４０内において点火を行う点火手段としての点火プラグ１９が設けられている。燃料噴射弁１５は、シリンダブロック２ａを図１において上方から見たときに燃焼室４０の略中央に配置され、高圧で燃料を噴射する高圧噴射ノズルとされている。燃料噴射弁１５には、高圧な燃料が供給されるように構成されている。燃料噴射弁１５の先端に設けられた複数の噴射孔１５ａを図２に示すように燃焼室４０内に臨んでいる。燃料噴射弁１５の噴射孔１５ａの数は、燃料の拡散性を考慮すると少なくとも６つ以上が望ましい。本形態において、燃料噴射弁１５は、噴射孔１５ａが円周方向に等間隔で６つ形成された多噴孔とされていて、燃焼室４０に放射上に燃料を噴射するように構成されている。

吸気経路１２内にはスロットル弁１４と、吸気流路１２を狭める方向に作動することで吸気流動を促進させる吸気流動制御弁（以下「ＦＣＶ」と記す）３７とが設けられている。スロットル弁１４は、図示しないワイヤまたは電子制御機構を介してアクセルペダル３４と連結されていて、アクセルペダル３４の踏込量に応じてその開度が調整されるようになっている。

ＦＣＶ３７は、燃料噴射弁１５よりも吸気上流側、すなわち燃料噴射弁１５とスロットル弁１４の間に位置する吸気流路１２に図示しないフランジによって回動自在に支持されている。ＦＣＶ３７は、通常、図３に実線で示す中立位置を占め、ステッピングモータ３８によって回動されることで、図３において吸気流路１２の下方内壁面１２ａ側に上流側端部３７ａが接触する作動位置を占める。ＦＣＶ３７が中立位置とは、吸気流路１２の流路面積が最も大きくなる吸気流路１２と略平行な位置であり、作動位置は筒内のタンブル流を強化させる位置である。

エンジン１は、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたエンジン制御ユニット（以下「ＥＣＵ」と記す）３１で制御される。

ＥＣＵ３１には、燃料噴射弁１５、点火プラグ１９、エンジン１の回転状態を検出する回転検出手段となるエンジン回転数センサ３２、エンジン負荷となるスロットル弁１４の開度を検出する開度検出手段となるスロットル開度センサ３３、ステッピングモータ３８が接続されている。ＥＣＵ３１は、これらセンサから入力される情報に応じて、点火プラグ１９による点火時期、燃料噴射時期、燃焼切換時期やタンブル強化時期とともに、エンジン１の吸気、圧縮、爆発、排気の各行程を判断している。

すなわち、ＲＯＭにはエンジン回転数とスロットル弁１４の開度から求めた燃焼切換手段となる図４に示すマップが予め記憶されていて、エンジン回転数とスロットル開度が領域Ａにあるときには圧縮自己着火燃焼領域と判断し、領域Ｂにあるときには火花着火燃焼領域と判断する。ＥＣＵ３１は、エンジン１の運転状態が圧縮自己着火燃焼領域の場合には、圧縮上死点までの所定の範囲となる圧縮上死点前４０°（４０°ＢＴＤＣ）から圧縮上死点（ＴＤＣ）までの間乃至圧縮上死点前２０°（２０°ＢＴＤＣ）から圧縮上死点（ＴＤＣ）の間において、機関の負荷と回転数に基いて算出される要求燃料噴射量を燃料噴射弁１５からの１回だけの噴射で噴射するように噴射制御を行うとともにステッピングモータ３８を駆動してＦＣＶ３７を作動位置へと移動する。圧縮自己着火燃焼領域の場合には点火プラグ１９は非作動状態とするように各部を制御する。ＥＣＵ３１は、エンジン１の運転状態が火花着火燃焼領域の場合にはステッピングモータ３８は駆動せずＦＣＶ３７を中間位置に置くとともに、燃料噴射弁１５からの噴射時期を吸気行程時に行うとともに、点火プラグ１９から火花を飛ばすように各部を制御する。

このような構成において、吸気流路１２内には、エンジン１の始動に伴いシリンダ２ｂ内を図１において上下に往復移動するピストン１６の下降に伴って、エアクリーナ１３から吸入空気が導入され、吸気経路１２内のスロットルバルブ１４の開度に応じて流量調整された後に吸気ポート１１を経て吸気弁７ａの開弁時にシリンダ２ｂ内に流入する。

このとき、エンジン１が火花着火燃焼領域にある場合には、ピストン１が上昇を始める前、すなわち吸気行程において、燃料噴射弁１５から高圧で燃料が燃焼室４０内に噴射され、燃焼室４０内で吸入空気によって発生しているタンブル流によって吸入空気と混合されつつ圧縮される。そして、点火信号が点火プラグ１９に印加されると、火花により混合気に着火され、火炎伝播による燃焼が開始される。排気ポート１７と接続する排気経路１８には、燃焼室４０内での燃焼後の排ガスが、排気弁７ｂの開弁時にピストン１６の上昇に伴って排気ポート１７から案内され、排気経路１８上に設けられた触媒としての三元触媒２０及び図示しない消音器を経て外部に排出される。

エンジン１が圧縮自己着火燃焼領域にある場合には、ステッピングモータ３８が吸気行程において駆動され、ＦＣＶ３７が作動位置へと移動する。すると吸入空気は図２に示すように、ＦＣＶ３７の下流側端部３７ｂと上方内壁面１２ｂとの間を空間に案内されるため、上面内壁面１２ｂ側の流速が上がるので、筒内のタンブル流が強化される。

ＥＣＵ３１は、ピストン１が上昇し圧縮行程に入り、圧縮上死点前４０°、好ましくは圧縮上死点前２０°になると、燃料噴射弁１５を駆動して高圧の燃料が噴射孔１５ａから燃焼室４０内に一度だけ噴射する。このとき、図２に示すように噴射孔１５ａは微小であり、かつ円周方向に等間隔で６つ形成されているので、燃料噴霧３６は微細化されて燃焼室４０に放射上に噴射される。また、このとき燃焼室４０内は圧縮行程であるので、その内部の圧力と温度は高く、かつタンブル流が促進された状態にある。よって高圧噴射されて微細化された燃料噴霧３６は、燃焼室４０の中央から放射状に広がり強いタンブル流によって一気に混合されるため、予混合が十分に行われて圧縮自己着火燃焼が圧縮上死点近傍で発生して燃焼が開始される。燃焼ガスは吸気弁７ｂが開弁することで排気ポート１７から排気経路１８を経て三元触媒２０及び図示しない消音器を経て外部に排出される。

このように、高圧で燃料を噴射する燃料噴射弁１５を燃焼室４２の略中央に配置し、圧縮上死点までの所定の範囲となる圧縮上死点前４０°好ましくは圧縮上死点前２０°で駆動して高圧燃料を１度に噴射させ、ＦＣＶ３７が吸気流動を促進させる位置を占めるようにしているので、高圧でかつ吸気流動が促進された燃焼室４０の吸気に対して燃焼室４０の中央から高圧噴射された微細化された燃料噴霧３６が一気に混合されるため、予混合が一気に行われて圧縮自己着火燃焼が圧縮上死点近傍で安定して発生し易くなり、自己着火燃焼の早期発生や遅れによる不具合を低減することができる。また、圧縮上死点ＴＤＣ前という限られた期間において燃料噴射を複数回実行してないので、ＥＣＵ３１への負担を軽減することができる。

本形態において、燃料噴射弁１５からの噴射圧を高圧にしたのは、燃料噴霧３６の気化を早め燃焼室４０内の吸入空気と混合し易くするためには燃料噴霧３６の微粒化が有効であり、噴射圧と微粒化の関係から噴射圧を高圧にするほど微粒化はより進むため、高圧噴射は混合時間の低減に有効となるからである。一般に、噴射圧と噴霧微粒化（ザウタ）の関係は、図５に示すように噴射圧が高く噴射孔が小径なほど小さくなる特性を持っている。本願発明者の考察によると、噴射圧は２０ＭＰａ以上が望ましい。

圧縮自己着火燃焼領域における噴射時期は、噴射開始と同時に着火が起こってもエンジン１に損傷のないタイミング以降が好ましく、４０〜２０°ＢＴＤＣ以降で噴射開始しＴＤＣまでの間に噴射を完了するようにした。また、圧縮自己着火燃焼領域において燃料噴霧３６の混合時間を短くするには、必要な筒内流動はタンブルの場合では６以上に相当する筒内流動エネルギーが必要であるため、ＦＣＶ３７を駆動してタンブル流を促進するようにした。

燃料噴霧３６の混合時間とスワール比やタンブル比の関係について説明すると、スワール比やタンブル比は、エンジン１回転に対する筒内空気(剛体と仮定）の回転比を表す。よって燃料噴霧３６の混合を考えた場合，スワールでは最低でも１回は回転することが最低条件と考え，その場合、噴射開始からＴＤＣまでの期間が３０°ＣＡしかないことを考え合わせると、３６０°/３０°=１２に相当するスワール比が要求されることとなる。ただしタンブルの場合は圧縮行程で剛体渦半径が縮小するため，燃料噴射時のタンブル回転速度は向上し、その要求値は約半減するものとして、要求タンブル比は６となる。通常のエンジンのタンブル比は０．５〜２．０程度である。なお、ここでのタンブル比、スワール比は吸気行程終了時に持つ筒内空気の回転エネルギーで算出される値を用いる。

燃料噴射弁１５を多噴孔化すると、燃料噴霧３６が分散されるため混合が容易になり、要求タンブル比の低減が可能となる。さらに、噴射孔１５ａを小口径化すればするほど噴霧の微粒化が促進されるので、混合時間が短縮される一方、流量が低下するため最大燃料流量の確保が難しくなる一面もあるが、小口径化と同時に多噴孔化しているのでトータルの流量を確保することができる。

このような考察に基づき、本願発明者は、噴孔孔１５ａの数や大きさ、燃料噴射弁１５の噴射圧や噴射時期、ＦＣＶ３７の作動を上記のように設定するのが望ましいと考えた。なお、本形態では吸気流動をタンブル流としてＦＣＶ３７を用いて強化したが、吸気流動はスワール流であっても無論よく、ＦＣＶ３７を図３に示す状態から９０度周方向に回転させて配置すればよい。

本発明の実施形態にかかる内燃機関の概略構成を示す図である。 燃焼室側から見た燃料噴射弁の噴射孔と噴霧の状態を示す拡大図である。 吸気流動制御弁の構成と、その吸気流路に対する位置関係と吸入空気の流れを示す拡大図である。 圧縮自己着火燃焼領域と火花着火燃焼領域との切換え特性を示すマップである。 噴射圧と噴霧微粒化の関係を示す線図である。

符号の説明

１ 内燃機関
１２ 吸気流路
１５ 燃料噴射弁
１５ａ 噴射孔
３１ 制御手段
３７ 吸気流動制御弁
３９ 吸気制御装置
４０ 燃焼室

Claims (3)

1. 燃焼室の略中央に配置されて燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記燃焼室に通じる吸気流路を狭めることで吸気流動を促進させる吸気流動制御弁と、
   機関の圧縮行程後期から圧縮上死点までの所定の範囲で、要求燃料噴射量の全量を一度に噴射するように前記燃料噴射弁の駆動を制御するとともに、前記吸気流動制御弁が吸気流動を促進させる位置を占めるように制御して前記燃焼室内の混合気を圧縮自己着火させる制御手段とを有することを特徴とする予混合圧縮自己着火型のガソリン内燃機関。
2. 請求項１記載の予混合圧縮自己着火型のガソリン内燃機関において、
   前記所定の範囲は、圧縮上死点前４０°から圧縮上死点までの範囲であることを特徴とする予混合圧縮自己着火型のガソリン内燃機関。
3. 請求項１または２記載の予混合圧縮自己着火型のガソリン内燃機関において、
   前記燃料噴射弁は多噴孔であることを特徴とする予混合圧縮自己着火型のガソリン内燃機関。
   

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