JP2008038735A - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気下死点近傍の燃料噴射時期を遅角してノッキングを抑制する筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射時期を比較的大きく遅角しても未燃燃料の排出量の増加が抑制されるようにする。
【解決手段】燃料噴射終了時期を設定時期Ａ２’より遅角する時には、必要燃料量を複数に分割して噴射して、最後の燃料噴射ｆ４の燃料噴射終了時期Ａ２”を設定時期Ａ２’より遅角する。
【選択図】図２

Description

本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。

筒内噴射式火花点火内燃機関において、成層燃焼のために圧縮行程後半において気筒内へ燃料が噴射される時には、燃料の気化潜熱により筒内温度が低下してノッキングが発生し難くなるために、ノッキング抑制のための点火時期の遅角を中止することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、筒内噴射式火花点火内燃機関において、均質燃焼のために吸気下死点近傍において気筒内へ燃料を噴射すると、燃料の気化潜熱により吸気温度が低下して吸気充填効率が高められる。それにより、ノッキングが発生する時には、燃料噴射時期を遅角して吸気温度がそれほど低下しないうちに吸気弁が閉弁されるようにすれば、吸気充填効率がそれほど高められずにノッキングの発生を抑制することができる。

こうして、吸気弁の閉弁後に燃料噴射を開始するまで燃料噴射時期を遅角すれば、吸気温度低下に伴う吸気充填効率の向上を完全に防止することができ、また、さらに燃料噴射時期を遅角すれば、燃料の気化潜熱により低下した吸気温度がシリンダボアからの受熱に抗して点火時期まで維持され易くなるために、燃料噴射時期を遅角するほどノッキング抑制に有利となる。

特開２０００−２０５０９５ 特開２００３−９０２４９ 特表２００４−５０８４８４

しかしながら、燃料噴射時期を遅角するほど、噴射燃料がピストン頂面に衝突して付着し易くなる。ピストン頂面に付着する燃料は、点火までには十分に気化せずに、膨張行程において気化して未燃燃料として排出される。

従って、本発明の目的は、吸気下死点近傍の燃料噴射時期を遅角してノッキングを抑制する筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射時期を比較的大きく遅角しても未燃燃料の排出量の増加が抑制されるようにすることである。

本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、吸気下死点近傍の燃料噴射時期を遅角してノッキングを抑制する筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射終了時期を設定時期より遅角する時には、必要燃料量を複数に分割して噴射して、最後の燃料噴射の燃料噴射終了時期を前記設定時期より遅角することを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気下死点近傍の噴射燃料は、気筒内のタンブル流を強める方向に向けて噴射されることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、吸気下死点近傍の燃料噴射時期を遅角してノッキングを抑制する筒内噴射式火花点火内燃機関において、ノッキングを抑制するために燃料噴射終了時期が設定時期より遅角される時には、必要燃料量を複数に分割して噴射し、それぞれの噴射燃料を少量として気化し易くしているために、最後の燃料噴射の燃料噴射終了時期を設定時期より遅角しても、それぞれの噴射燃料はピストン頂面に衝突し難くなり、未燃燃料の排出量を抑制することができる。

本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気下死点近傍の噴射燃料は、気筒内のタンブル流を強める方向に向けて噴射されるようになっており、強められたタンブル流によって点火時期には気筒内に乱れを発生させて燃焼速度を速めることができる。

図１は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図であり、均質燃焼のための燃料噴射時期である吸気下死点近傍を示している。同図において、１は気筒上部略中心に配置されて気筒内へ直接的に燃料を噴射するための燃料噴射弁であり、２は燃料噴射弁１の吸気弁側近傍に配置された点火プラグである。図示されていないが、気筒上部の右側には一対の吸気弁が配置されており、左側には一対の排気弁が配置されている。３はピストンである。

本実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関は、燃料噴射弁１により吸気下死点近傍（例えば、燃料噴射終了クランク角度を吸気下死点近傍とするように燃料噴射量に応じて燃料噴射開始クランク角度を設定するか、又は、燃料噴射量に関係なく吸気行程後半に燃料噴射開始クランク角度を設定する）に気筒内へ直接的に燃料を噴射することにより、圧縮行程末期の点火時期には気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を火花点火させて均質燃焼を実施する。

燃料噴射弁１は、図１に示すように、燃料Ｆを斜め下方向にシリンダボアの排気弁側へ向けて噴射する。燃料噴射弁１から噴射される燃料Ｆの貫徹力は、燃料噴射開始から１ｍｓ後の燃料先端が６０ｍｍ以上に達するように設定される。

このように強い貫徹力の燃料Ｆが気筒上部略中心からシリンダボアの排気弁側（好ましくは、吸気下死点近傍におけるシリンダボアの排気側下部）へ向けて斜め下方向に噴射されると、気筒内の排気弁側を下降して吸気弁側を上昇するように気筒内に形成されたタンブル流Ｔを燃料の貫徹力により強めることができる。こうして強められたタンブル流Ｔは、圧縮行程後半まで確実に気筒内に持続し、圧縮行程末期の点火時期には気筒内に乱れを発生させるために、燃焼速度の速い良好な均質燃焼を実現することができる。

燃料噴射弁１から噴射される噴射燃料Ｆの形状は、任意に設定可能であり、例えば、単一噴孔から噴射される中実又は中空の円錐形状としても良い。また、スリット状噴孔から噴射される比較的厚さの薄い略扇形状としても良い。また、円弧状スリット噴孔や複数の直線スリット噴孔の組み合わせにより、上側及び排気弁側を凸とする比較的厚さの薄い円弧状断面形状又は折れ線状断面形状としても良い。いずれにしても噴射燃料が前述したような強い貫徹力を有して、気筒内のタンブル流Ｔを加速させるようになっていれば良い。

本実施形態において、点火プラグ２は、燃料噴射弁１より吸気弁側に配置されているために、燃料噴射弁１からシリンダボアの排気弁側へ向けて噴射される燃料により濡らされることはなく、点火時期においてアークを確実に発生させることができる。

本実施形態において、均質燃焼の空燃比は、理論空燃比よりリーンとされ（好ましくは、ＮＯ_Xの生成量が抑制されるリーン空燃比とされる）、燃料消費を抑制するようにしているために、燃焼が緩慢となり易く、前述のようにして燃焼速度を速めることは特に有効である。もちろん、均質燃焼の空燃比は、理論空燃比又はリッチ空燃比としても良く、この場合においても燃焼速度を速めることは有効である。

ところで、吸気下死点近傍において気筒内へ燃料が噴射されると、燃料が気筒内で気化する際の気化潜熱によって気筒内の吸気温度が低下し、吸気充填効率を高めることができる。しかしながら、内燃機関に取り付けられたノッキングセンサによりノッキングの発生が検出された時には、吸気量を減少させてノッキングを抑制することが好ましい。

そのためには、燃料噴射時期を遅角して、燃料が十分に気化する前に吸気弁が閉弁されるようにすれば、吸気充填効率がそれほど高められることはなく、吸気量を減少させることができる。このような吸気量の減少は、スロットル弁を絞る等により吸気量を減少させる場合に比較して高い応答性を有している。

また、吸気弁閉弁後に燃料噴射が開始されるように燃料噴射時期を遅角すれば、気化潜熱に伴う吸気充填効率の向上は完全に防止される。さらに燃料噴射時期を遅角すると、気化潜熱により低下した吸気温度が、点火時期までの時間が短くなるために、シリンダボアからの受熱に抗して点火時期においても維持され易くなる。こうして、燃料噴射時期を遅角するほどノッキングの発生を抑制することができる。

こうして、ノッキングの発生時には、ノッキングの発生が抑制されるまで、燃料噴射時期を遅角することが考えられるが、単に、燃料噴射時期を遅角すると、噴射燃料がピストン３の頂面に衝突して付着し易くなり、こうして、ピストン頂面に付着する燃料が多くなると、付着燃料は点火時期までには気化せずに膨張行程において気化するために、排気ガス中の未燃燃料を増大させる。

燃料噴射時期を遅角する際に、未燃燃料の排出量を増大させないように、本実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関では、図２に示すように燃料噴射を制御するようになっている。図２は噴射開始クランク角度及び噴射終了クランク角を示すタイムチャートである。図２において、上側のタイムチャートは、ノッキングが発生していない時の吸気下死点近傍の燃料噴射時期を示しており、吸気行程後半の噴射開始クランク角度Ａ１と、吸気下死点ＢＤＣ直後の噴射終了クランク角度Ａ２との間において燃料噴射が実施される。

このような燃料噴射時期での燃料噴射ではノッキングが発生するようになると、燃料噴射時期を遅角して吸気充填効率を低下させると共に、燃料噴射終了クランク角度から点火時期までのクランク角度範囲を小さくすることにより、気化潜熱に伴う吸気温度低下を点火時期まで維持され易くし、ノッキングを抑制する。このような燃料噴射時期の遅角は、燃料噴射終了時期としての噴射終了クランク角度が、図２の中側のタイムチャートに示す設定クランク角度Ａ２’となるまでは、噴射開始クランク角度及び噴射終了クランク角度を同じクランク角度範囲だけ遅角する。

ノッキング抑制のために、噴射終了クランク角度を設定クランク角度Ａ２’より遅角することが必要である時には、そのまま遅角すると、噴射終了クランク角度におけるピストン３の位置が比較的高くなるために、燃料噴射弁１からピストン頂面までの距離が短くなって、噴射燃料が十分に気化する前にピストン頂面に衝突して比較的多くの燃料がピストン頂面に付着するようになる。

本実施形態では、図２の下側のタイムチャートに示すように、必要燃料量を複数に分割して（例えば、ｆ１からｆ４に四分割して）噴射するようにし、最後の燃料噴射ｆ４の噴射終了クランク角度を設定クランク角度Ａ２’より遅角側のＡ２”としている。それにより、それぞれの分割噴射の噴射量は少量となって、短い飛行距離でも気化し易くなるために、ピストン頂面への付着燃料量を十分に減少させることができ、ピストン頂面への付着燃料に伴う未燃燃料の排出量を抑制することができる。

図２の下側のタイムチャートでは、最初の燃料噴射ｆ１の噴射開始クランク角度は、中側のタイムチャートの噴射開始クランク角度Ａ１’より遅角側のＡ２”とされている。しかしながら、燃料噴射が分割される時には、各分割噴射の間にインターバルＩが設けられるために、最初の燃料噴射の噴射開始クランク角度から最後の燃料噴射の噴射終了クランク角度までのクランク角度範囲は、同量の燃料を分割せずに噴射する場合に比較して大きくなるために、最初の燃料噴射ｆ１の噴射開始クランク角度を、中側のタイムチャートの噴射開始クランク角度Ａ１’としても、最後の燃料噴射ｆ４の噴射終了クランク角度を、中側のタイムチャートの噴射終了クランク角度Ａ２’（設定クランク角度）より遅角側とすることができ、中側のタイムチャートの燃料噴射に比較して噴射燃料をノッキング抑制に有利に使用することができる。

必要燃料量は、機関運転状態毎に設定され、例えば、機関回転数が高いほど及び機関負荷が高いほど多くなるように設定される。こうして必要燃料量は変化し、必要燃料量が多いほど、分割せずに噴射可能な噴射終了クランク角度Ａ２’は進角側とすることが好ましい。また、機関回転数が高いほど、ピストンの上昇速度が速まって噴射燃料はピストン頂面に付着し易くなるために、機関回転数が高いほど、分割せずに噴射可能な噴射終了クランク角度Ａ２’は進角側とすることが好ましい。

また、分割噴射に際して、必要燃料量が多いほど分割数を多くするか、又は、各分割噴射のインターバルＩを長くして、各分割噴射の燃料を気化し易くすることが好ましい。また、分割噴射に際して、遅い燃料噴射ほどピストン頂面に衝突付着し易くなるために、遅い燃料噴射ほど少量となるように、各分割噴射の噴射量を異ならせるようにしても良い。

本実施形態では、結果的に噴射終了クランク角度が設定クランク角度Ａ２’より遅角される時に燃料噴射を分割するようになっている。それにより、燃料噴射を分割するか否かの判断のために、噴射開始クランク角度から噴射終了クランク角度を算出するようにしても良いが、もちろん、噴射開始クランク角度と必要燃料量とに基づき燃料噴射を分割するか否かを判断するようにしても良い。

ところで、ノッキングの発生を抑制するために点火時期を遅角することは一般的であるが、点火時期の遅角は燃焼を悪化させるために、点火時期はできるだけ遅角しないことが好ましい。それにより、これまで説明した燃料噴射時期遅角を同時に実施して、ノッキング抑制のための点火時期遅角量を小さくするようにしても良い。

本実施形態は、このようにしてノッキングの発生を抑制するために燃料噴射時期を遅角して均質燃焼を実施するものであるが、例えば、機関負荷が設定負荷より低い低負荷時には、燃料噴射弁１により圧縮行程後半において燃料を噴射して成層燃焼を実施するようにしても良い。成層燃焼を実施するためには、ピストン３の頂面にキャビティを形成して、圧縮行程後半にキャビティ内へ噴射される燃料を点火プラグ２近傍へ導いて点火プラグ２近傍に可燃混合気を形成するようにしたり、又は、点火プラグ２を燃料噴射弁１より排気弁側に配置して、燃料噴射弁１により噴射される燃料により直接的に点火プラグ２近傍に可燃混合気を形成したりするようにすれば良い。

本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す吸気下死点近傍の概略縦断面図である。 ノッキングの発生を抑制するための燃料噴射制御を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ 燃料噴射弁
２ 点火プラグ
３ ピストン
Ｔ タンブル流
Ｆ 噴射燃料

Claims (2)

1. 吸気下死点近傍の燃料噴射時期を遅角してノッキングを抑制する筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射終了時期を設定時期より遅角する時には、必要燃料量を複数に分割して噴射して、最後の燃料噴射の燃料噴射終了時期を前記設定時期より遅角することを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
2. 吸気下死点近傍の噴射燃料は、気筒内のタンブル流を強める方向に向けて噴射されることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。

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