JP3840871B2 - 圧縮自己着火式ガソリン機関 - Google Patents
圧縮自己着火式ガソリン機関 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3840871B2 JP3840871B2 JP2000070820A JP2000070820A JP3840871B2 JP 3840871 B2 JP3840871 B2 JP 3840871B2 JP 2000070820 A JP2000070820 A JP 2000070820A JP 2000070820 A JP2000070820 A JP 2000070820A JP 3840871 B2 JP3840871 B2 JP 3840871B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- ignition
- valve
- combustion
- compression self
- fuel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B1/00—Engines characterised by fuel-air mixture compression
- F02B1/12—Engines characterised by fuel-air mixture compression with compression ignition
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B75/00—Other engines
- F02B75/12—Other methods of operation
- F02B2075/125—Direct injection in the combustion chamber for spark ignition engines, i.e. not in pre-combustion chamber
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B2275/00—Other engines, components or details, not provided for in other groups of this subclass
- F02B2275/48—Tumble motion in gas movement in cylinder
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
Landscapes
- Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
- Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
- Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)
- Valve Device For Special Equipments (AREA)
- Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
- Exhaust-Gas Circulating Devices (AREA)
- Control Of Throttle Valves Provided In The Intake System Or In The Exhaust System (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも一部の運転領域において、混合気を圧縮して自己着火させる圧縮自己着火式ガソリン機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮自己着火燃焼は、燃焼室の多点で燃焼が開始されるため燃焼速度が速く、通常の火花点火燃焼に比べて空燃比がリーンな状態でも安定した燃焼を実現することができる。このため、燃料消費率の向上が可能であり、また、空燃比がリーンなため燃焼温度が低下することから、排気ガス中のＮＯｘを大幅に低減することもできる。
【０００３】
また、高回転、高負荷領域では、通常の火花点火燃焼を行わせ、低回転、低中負荷領域では前記火花点火燃焼から圧縮自己着火燃焼に燃焼形態を切り替えることによって、高回転、高負荷時の高出力性能の確保と、低回転、低中負荷時の燃料消費率向上及びＮＯｘの低減という環境性能向上の両立を図ることができる。
【０００４】
ガソリンのような自己着火性の低い燃料を用いて圧縮自己着火燃焼を行なわせる場合、残留ガスの持つ熱エネルギを利用することが有効である。これは例えば特開平１０−２６６８７８号公報に示されているように、排気行程から吸気行程に移行する際に、排気バルブと吸気バルブがともに閉となるマイナスオーバラップ期間（密閉期間）を設けて、残留ガスを積極的に生じさせる所謂内部ＥＧＲを行なわせることで実現される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成にあっては、吸気ポートに噴射された燃料が新気と混合した状態で燃焼室内に導入され、燃焼室内に残留した内部ＥＧＲガスと均一に混合するようになるため、燃焼室壁面近傍の低温層に分布する燃料は圧縮自己着火に至らずに未燃燃料として排出されるので、燃料効率の悪化および排気ＨＣが増加するという問題点があった。
【０００６】
前記燃焼室壁面での未燃燃料は、混合気ガス温度が低い程かつ燃料濃度が低い程増加する傾向を持っているため、低負荷時の圧縮自己着火燃焼ほど顕著に発生する。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みたもので、その目的は、燃焼室内における高温のＥＧＲガスおよび燃料分布をコントロールし、排気バルブ近傍の燃焼室内温度を高く、また燃料濃度を濃くすることで、圧縮自己着火燃焼時の未燃燃料の排出を低減するとともに燃費を向上させた圧縮自己着火式ガソリン機関を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項１記載の発明は、少なくとも一部の運転領域で混合気を圧縮自己着火燃焼させる圧縮自己着火式ガソリン機関において、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、筒内における燃料濃度を排気バルブ側が吸気バルブ側に対して濃くなるように前記燃料噴射弁から燃料噴射することにより、前記圧縮自己着火燃焼時の筒内における燃焼開始位置を排気側としたことを要旨とする。
【００１０】
上記目的を達成するため請求項２記載の発明は、請求項１記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、排気上死点付近で吸気バルブ及び排気バルブが共に閉じたマイナスオーバーラップのバルブタイミングに制御可能な動弁機構を備え、圧縮自己着火運転領域でバルブタイミングを前記マイナスオーバーラップに設定することにより排気の一部を内部ＥＧＲガスとして筒内に残留させることを要旨とする。
【００１１】
上記目的を達成するため請求項３記載の発明は、請求項２記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、前記圧縮自己着火運転領域における筒内のガス温度を排気バルブ側が吸気バルブ側に対して高くなるようにしたことを要旨とする。
【００１２】
上記目的を達成するため請求項４記載の発明は、請求項３記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、燃焼室内のガス流動を制御するガス流動制御手段を吸気系に備え、圧縮自己着火燃焼領域では新気を燃焼室内の吸気バルブ側に分布させ、前記内部ＥＧＲガスを排気側に層状に分布させたことを要旨とする。
【００１３】
上記目的を達成するため請求項５記載の発明は、請求項４記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、前記ガス流動制御手段は、燃焼室内に生成するタンブル流を制御可能なタンブル制御手段であり、圧縮自己着火運転領域では筒内に生成するタンブル流はピストン冠面を吸気側から排気側へ流れる逆タンブル流とし、火花点火燃焼運転領域では前記タンブル流がピストン冠面を排気側から吸気側へ流れる順タンブル流となるように制御することを要旨とする。
【００１４】
上記目的を達成するため請求項６記載の発明は、請求項２ないし請求項４のいずれか１項記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、前記マイナスオーバーラップ期間中に燃料の一部を噴射し、圧縮行程後半に残りの燃料を噴射することを要旨とする。
【００１５】
上記目的を達成するため請求項７記載の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、ピストン冠面に中心軸がクランク軸と並行となる略円筒面状の凹部を有し、該凹部の排気側端部で前記円筒面に接する接平面が、上死点前およそ３０°でのピストン位置において、前記シリンダヘッドと排気バルブの外端より内側で交差するように形成されていることを要旨とする。
【００１６】
上記目的を達成するため請求項８記載の発明は、請求項７に記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、前記燃料噴射弁より圧縮行程中に噴射された燃料が排気バルブの中心付近に偏在するように噴射時期を制御することを要旨とする。
【００１８】
上記目的を達成するため請求項９記載の発明は、シリンダヘッドの燃焼室略中央に点火プラグを有し、かつ筒内に直接燃料を噴射する噴射弁を吸気ポートの下方に配置し、該噴射弁より噴射された燃料により成層混合気を形成したのち火花点火により着火し火炎伝播燃焼する成層燃焼運転領域と、自己着火燃焼運転領域とを有する圧縮自己着火式ガソリン機関において、同一エンジン回転数における自己着火燃焼運転時の圧縮行程後半での噴射時期を前記成層燃焼運転領域での噴射時期よりも早い時期に噴射することを要旨とする。
【００１９】
上記目的を達成するため請求項１０記載の発明は、請求項９に記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、前記自己着火燃焼運転時の圧縮行程後半での噴射時期と圧縮上死点までの間隔が前記成層燃焼運転領域での噴射時期から点火時期までの間隔に対し約２倍となるように設定したことを要旨とする。
【００２０】
上記目的を達成するため請求項１１記載の発明は、圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼とを運転条件により切り換える圧縮自己着火式ガソリン機関において、吸気ポート内部を上下の吸気通路に仕切る仕切り板と、前記上下の吸気通路のいずれか一方を閉じることが可能なタンブル制御弁とを備え、圧縮着火燃焼時には前記タンブル制御弁により上側の吸気通路を閉じて燃焼室内に逆タンブル流を生じさせ、火花点火の成層燃焼時には前記タンブル制御弁により下側の吸気通路を閉じて燃焼室内に順タンブル流を生じさせ、火花点火の均質燃焼時には前記上下の吸気通路を共に開くことを要旨とする。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、筒内における燃料濃度を排気バルブ側が吸気バルブ側に対して濃くなるようにしたため、圧縮自己着火燃焼が筒内の排気側から開始されるようになり、排気バルブ近傍の燃焼室壁面における燃料は高温な既燃ガスに曝されかつ燃焼の進行とともに圧縮を受けるため高温となり易く燃焼が進み、吸気バルブ側に対し未燃燃料の発生が抑えられる。排気行程では燃焼度が高く未燃ＨＣが殆どない排気バルブ側のガスが先に排出され、吸気バルブ側に存在し筒内未燃ＨＣの大半を占めるガスが自己ＥＧＲとして筒内に残留しやすいため、排気ガス中に存在する未燃ＨＣが低減し熱効率向上と排気の浄化が図れる。
【００２２】
さらにシリンダヘッドの燃焼室壁面における温度分布は排気バルブ付近が高温であること、および排気バルブ付近では濃い混合気が存在することにより排気バルブ近傍の未燃燃料が低減する。
【００２３】
請求項２記載の発明によれば、排気上死点付近で吸気バルブ及び排気バルブが共に閉じたマイナスオーバーラップのバルブタイミングに制御可能な動弁機構を備え、圧縮自己着火運転領域でバルブタイミングを前記マイナスオーバーラップに設定することにより、吸気側に存在する未燃燃料を含むガスは前記マイナスオーバーラップにより排気バルブが排気行程途中で閉となるためさらに排出され難くなり、残留ガスとともに次サイクルに持ち越されることとなる。よって請求項１に記載の効果をより高めることができる。
【００２４】
請求項３記載の発明によれば、筒内のガス温度分布を排気バルブ側が吸気バルブ側に対して高くなるようにしているため、排気側からの燃焼開始を実現できるとともに、排気バルブ付近での混合気温度が上昇するため排気バルブ近傍の未燃燃料が低減し、請求項１または２に記載の効果をより高めることができる。
【００２５】
請求項４記載の発明によれば、燃焼室内のガス流動を制御するガス流動制御手段を吸気系に備え、圧縮自己着火燃焼領域では新気を燃焼室内の吸気バルブ側に分布させ、前記内部ＥＧＲガスを排気側に層状に分布させたことにより、請求項３記載の排気側が吸気側より高い筒内ガス温度分布を実現できる。
【００２６】
請求項５記載の発明によれば、前記ガス流動制御手段は、燃焼室内に生成するタンブル流を制御可能なタンブル制御手段であり、圧縮自己着火運転領域では筒内に生成するタンブル流はピストン冠面を吸気側から排気側へ流れる逆タンブル流とし、火花点火燃焼運転領域では前記タンブル流がピストン冠面を排気側から吸気側へ流れる順タンブル流となるように制御するようにしたので、圧縮自己着火燃焼時の筒内温度分布と、火花点火燃焼時の筒内ガス流動とを両立させ、火花点火運転領域の性能を犠牲にすることなく、請求項４記載の効果を得ることが可能となる。
【００２７】
請求項６記載の発明によれば、前記マイナスオーバーラップ期間中に燃料の一部を燃焼室内に供給するようにしているため、前記マイナスオーバーラップ期間中の上死点近傍において前記内部ＥＧＲ中に残存する酸素と未燃燃料および新たに投入した前記燃料が部分的に酸化され、反応性の高い燃料に改質される。この改質された燃料はより低温域での燃焼が可能となるため、請求項２から４の効果に加えて、燃焼室壁面での未燃燃料の発生を抑制することが可能となる。
【００２８】
請求項７記載の発明によれば、ピストン冠面に中心軸がクランク軸と並行となる略円筒面状の凹部を有し、該凹部の排気側端部で前記円筒面に接する接平面が、上死点前およそ３０°のピストン位置において、前記シリンダヘッドと排気バルブの外端より内側で交差するように形成されている。このため燃料噴射弁より供給された燃料は前記ピストン冠面の凹部に沿ってシリンダヘッド面の中でも高温な排気バルブ近傍へと輸送されるため、請求項１から６記載の効果を確実に得ることが可能となる。
【００２９】
請求項８記載の発明によれば、燃料噴射弁から噴射された燃料が排気バルブの中心を指向するタイミングに噴射するため、請求項７の効果を確実に得ることが可能となる。
【００３１】
請求項９および１０記載の発明によれば、圧縮自己着火運転領域での圧縮行程における燃料噴射時期を適切に設定することができるため排気ガス中に含まれる未燃燃料を低減することが可能となる。
【００３２】
請求項１１記載の発明によれば、吸気ポート内部を上下の吸気通路に仕切る仕切り板と、前記上下の吸気通路のいずれか一方を閉じることが可能なタンブル制御弁とを備え、圧縮着火燃焼時には前記タンブル制御弁により上側の吸気通路を閉じて燃焼室内に逆タンブル流を生じさせ、火花点火の成層燃焼時には前記タンブル制御弁により下側の吸気通路を閉じて燃焼室内に順タンブル流を生じさせ、火花点火の均質燃焼時には前記上下の吸気通路を共に開くようにしたので、圧縮自己着火燃焼時に排気側の温度を高めた筒内温度分布と、火花点火成層燃焼時の筒内ガス流動と、火花点火均質燃焼時の性能とをそれぞれ満足させた圧縮自己着火式ガソリン機関を提供することができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明に係る圧縮自己着火式ガソリン機関の第１の実施形態を示すシステム構成図である。図１において、シリンダブロック１と、ピストン２と、シリンダヘッド３とにより燃焼室４が形成されている。
【００３４】
シリンダヘッド３には、吸気ポート５とこれら吸気ポート５を開閉する吸気バルブ６、および吸気ポート５と対向的に配置された排気ポート７とこれら排気ポート７を開閉する排気バルブ８を備えている。
【００３５】
吸気バルブ６と排気バルブ８は、それぞれ吸気カム９と排気カム１０を介して図外のバルブ駆動系により開閉される。このバルブ駆動系はエンジンコントロールユニット２２からの指示により開閉時期可変手段１１，１２を介して吸気バルブ６、排気バルブ８の開閉時期を制御可能な構成としてある。即ち、機関の低、中負荷領域では実質的な圧縮比の変更、内部ＥＧＲガス量などを制御し、圧縮自己着火運転が可能な高温、高圧状態を実現できる構成としている。
【００３６】
吸気ポート５の上流には吸気管１３が接続されており、吸気管１３には下流側端面近くにタンブル制御バルブ１４を付設してあり、上流側には空気量調整用スロットルバルブ１５と図示しない空気量測定用のエアフロメーター、エアクリーナ等を設けてある。
【００３７】
さらに吸気ポート５の内部には、吸気バルブ６の近傍から吸気管１３との接合面に渡って、管を上下に分割する仕切り板１８ａが設けられている。同様に吸気管１３には吸気ポート５との接合面からタンブル制御バルブ１４の回転中心軸に渡る仕切り板１８ｂが前記仕切り板１８ａと連続的に設けられている。
【００３８】
タンブル制御バルブ１４とスロットルバルブ１５は、それぞれエンジンコントロールユニット２２により開閉手段１６，１７を介してバルブ開閉制御可能としてある。
【００３９】
一方、シリンダヘッド３には吸気ポート５の下に臨んで、燃料ポンプ２３から供給されるガソリン燃料を直接燃焼室４内に噴射する燃料噴射弁１９を設けてある。
【００４０】
またシリンダヘッド３には燃焼室４内の略中心位置に点火プラグ２０が設けられており、点火プラグ２０は主に高回転、高負荷時に通常の火花点火燃焼を行なう場合に使用する。
【００４１】
エンジンコントロールユニット２２には、機関運転条件を示す信号として、機関回転数信号、クランク角度信号、負荷信号、空気量信号、吸気温度信号、排気温度信号、燃圧信号、油水温信号などが入力され、これら各種の信号に基づいて演算処理を実施し、前記吸気バルブ６、排気バルブ８のバルブタイミング、タンブル制御バルブ１４、スロットルバルブ１５の各バルブ開度制御、燃料噴射弁１９の噴射量と噴射時期、および点火プラグ２０の点火時期を適切に制御している。
【００４２】
図２は、ピストン２の冠面形状を示す平面図及び側面図である。図２に示すように、ピストン２の冠面略中央部には機関のクランク軸と略平行な中心軸を有する略円筒面状の凹部２４を設けてある。そして、ピストン２の凹部２４の排気側の端部で前記円筒面に接する接平面２５が、上死点前およそ３０°でのピストン位置において、前記シリンダヘッド３と排気バルブ８の外端２６より内側で交差するように形成されている。
【００４３】
このため、凹部２４により吸気行程で形成されたタンブル流が圧縮行程まで維持され、さらに圧縮行程後半で燃料噴射弁１９より噴射された燃料が凹部２４に沿って吸気側から排気側に輸送され、圧縮上死点付近では排気バルブ８付近に到達するようになっている。
【００４４】
図９の（ａ）、（ｂ）は吸気バルブ６、排気バルブ８のバルブタイミングの可変制御の一例を示しており、火花点火運転時には通常のバルブタイミングである（ａ）の状態とし、排気上死点付近において排気バルブ８と吸気バルブ６がともに開となる所定量のバルブオーバーラップ時期が発生するように設定される。
【００４５】
圧縮自己着火運転時にはバルブタイミングを（ｂ）の状態とし、すなわち排気バルブ８の閉時期が進角して排気行程途中で閉弁するとともに、吸気バルブ６の開時期が遅角して吸気行程途中で開弁するように制御されマイナスオーバーラップ状態になるように設定されている。
【００４６】
このように排気上死点付近で吸排気弁が共に閉じたマイナスオーバーラップ期間（密閉期間）を成すバルブタイミングとすることで、排気バルブ閉時期の燃焼室容積に相当する既燃ガスを燃焼室４内に滞留させて次サイクルへ内部ＥＧＲガスとして持ち越すことが可能となる。この内部ＥＧＲガスのもつ熱エネルギを有効に利用して後述するようにリーン空燃比での圧縮自己着火燃焼が圧縮上死点付近で実現される。
【００４７】
次に、本実施形態の動作について説明する。
図３は、各運転モードにおけるタンブル制御バルブ１４の開閉状態と、燃焼室４内に形成されるタンブル流の状態を説明する図である。
【００４８】
圧縮自己着火運転時には、図３（ａ）に示すように、仕切り板１８で仕切られた吸気ポート５の上段５ａの通路が閉となり、同下段５ｂの通路が開となる状態にタンブル制御バルブ１４を制御する。この結果、新気は主に吸気バルブ６の外側を通って燃焼室４内に流入し、燃焼室４内には弱い逆タンブル流２７が発生する。そのため燃焼室４内では冷えた新気が吸気側およびピストン２の上面に主に分布し、他方、前述のマイナスオーバーラップにより閉じ込められていた内部ＥＧＲガスは相対的に排気バルブ７の付近に分布し、筒内のガス温度は排気バルブ７付近がより高温な状態となる。
【００４９】
一方、低回転での火花点火運転時では、図３（ｂ）に示すように、吸気ポート５の下段５ｂの通路が閉となり、同上段５ａの通路が開となる状態にタンブル制御バルブ１４を制御する。これにより燃焼室４内には強い順タンブル流２８が発生し、燃料噴射弁１９からの燃料噴射タイミングが吸気行程前半の場合には均一な混合気生成を助けるとともに、噴射タイミングが圧縮行程後半となるような場合には噴霧貫徹力と順タンブル流による流動成分があいまって、点火プラグ２０付近に成層混合気を形成することができ、火花点火での成層燃焼を実現する。
【００５０】
高回転、高負荷での火花点火運転時では、図３（ｃ）に示すように、タンブル制御バルブ１４は仕切り板１８と略平行となる状態に制御し、吸気ポート５の上段５ａ及び下段５ｂが共に開いた状態にする。このため新気の流入抵抗を増加させることがなく、火花点火運転時の全負荷時の性能が維持される。
【００５１】
次に、図４を用いて本実施形態の燃料分布状態を説明する。図４（ａ）は、圧縮行程前半における燃焼室内の新気とＥＧＲガスの分布を示し、図４（ｂ）は、圧縮行程後半の燃料噴射の様子を示し、図４（ｃ）は、圧縮行程後半の燃料拡散の様子をそれぞれ示すものである。
【００５２】
図４（ｂ）に示すように、圧縮自己着火運転時の燃料は、圧縮行程後半に前記ピストン冠面に形成した凹部２４を指向して噴射される。該燃料は気化、拡散しながら自らの貫徹力および燃焼室４内に生成している逆タンブル流により、前記凹部２４の円筒面に沿って排気バルブ側に輸送され、混合気の燃料濃度は排気バルブ近傍が濃く、吸気側に向かう程薄くなる状態に形成される。
【００５３】
ピストン冠面の前記凹部２４の排気側端部で前記円筒面に接する接平面２５が、上死点前およそ３０°でのピストン位置において、シリンダヘッド３と排気バルブ８の外端２６より内側で交差するように形成されているため、燃料が低温の燃焼室壁面に囲まれた図４中のＡ部に進入することを抑制している。
【００５４】
さらに燃料の噴射時期としては、圧縮上死点付近で混合気の燃料濃度の中心が排気バルブ８の中心となるように設定している。これにより燃料はシリンダヘッド３の燃焼室４内に臨む面の内、もっとも高温となる排気バルブ８近傍に分布することとなる。
【００５５】
この結果、図６に示すように燃焼室壁面近傍のガス温度低温域で発生する未燃ガスは、排気バルブ８近傍において、内部ＥＧＲの選択的分布、混合気濃度のリッチ化、および高温の燃焼室壁温の効果が協働することにより大幅に減少する。
【００５６】
次に、図５を参照して自己着火燃焼時の着火から膨張行程にかけての状態を説明する。
【００５７】
燃焼室４内の混合気は排気バルブ近傍がリッチかつ高温であるため、最初の着火は、図５（ａ）に示すように排気バルブ８付近で発生し、ここで燃焼したガスが膨張することで、その周囲の未燃状態の混合気は排気バルブ８に対向する燃焼室面に向かって圧縮されて行く。この圧縮により未燃状態の混合気温度が上昇し、燃料は図５（ｂ）に示すように順次着火、燃焼して行く。
【００５８】
燃焼終了時には、図５（ｃ）に示すように、ピストン冠面、および吸気バルブ付近にのみ着火に至らなかった未燃燃料の層が存在することとなる。
【００５９】
以上の結果、図８に示すように、排気ポート７で計測される排気バルブ８開時に発生する未燃燃料（ＨＣ）濃度の第１のピークは、排気バルブ８付近の燃焼室壁面で発生する未燃燃料を低減したことで低下し、排気行程終了前に発生する第２のピーク、すなわち吸気側燃焼室壁面、ピストン冠面等で発生した未燃燃料は排出される前に、排気バルブ８が閉となるため、内部ＥＧＲガス中に閉じ込められ、次サイクルにおいて燃焼することとなる。よって、燃焼効率の向上と排気ガスの浄化を同時に得ることを可能としている。
【００６０】
上記効果に加え、前記マイナスオーバーラップ期間中に燃料の一部を噴射すると、排気上死点付近での圧縮により、内部ＥＧＲガス中に存在する酸素を用いた燃料改質が可能である。自己着火運転領域の低負荷域では、着火性の確保および相対的にリーン混合気での自己着火燃焼を行なう必要があるが、前記燃料改質により、内部ＥＧＲガス中の燃料を改質することで、リーンな混合気においても排気バルブ８付近で発生する未燃燃料を低減することが可能となる。
【００６１】
また、自己着火燃焼領域における圧縮行程後半における噴射時期と排気ポート７で計測されるＨＣ排出率との関係の一例を図１１に示す。自己着火燃焼領域におけるＨＣ排出率の低減を図るためには、最適な噴射時期が存在することがわかる。これは早すぎる噴射時期では燃料の拡散が進み過ぎるため混合気が希薄となり、反対に遅過ぎる噴射時期では排気バルブ８付近に充分濃い混合気を形成できず、図６に示す未燃燃料低減効果が充分には得られなくなるためである。
【００６２】
前記最適な噴射時期は、同一のエンジン回転数において適合された火花点火、成層燃焼運転領域の噴射時期よりも早いことがわかる。これは前記成層燃焼運転領域の噴射時期は成層混合気がシリンダヘッド３の略中央に配置された点火プラグ２０に到達するのに適した時期であるのに対し、圧縮自己着火運転領域の噴射時期は前記点火プラグ２０を通り越し排気バルブ８付近に到達しなければならず、長い時間を要するためである。
【００６３】
さらに、圧縮自己着火燃焼時の最適噴射時期は、噴射から圧縮上死点までに要する期間が、同一エンジン回転数における前記成層燃焼時の噴射から点火までの期間の約２倍となる時期となる。これは、圧縮自己着火燃焼時の着火は圧縮上死点付近で発生すること、および燃料噴射弁１９から排気バルブ８までの距離は該燃料噴射弁１９から点火プラグ２０までの距離の２倍弱であるが、燃料噴霧の持つ貫徹力が減衰することとあいまって生じるためである。
【００６４】
次に図１０に基づいて本発明の第２実施の形態について説明する。
第２実施形態では、第１実施形態に対し、第２点火プラグ２１を排気ポート７の下方で燃焼室４内に臨む位置に追加して設置したことを特徴としている。第２点火プラグ２１はエンジンコントロールユニット２２により点火時期が制御されており、主に圧縮自己着火燃焼時に放電を行い圧縮自己着火燃焼開始を補助するために用いている。
【００６５】
第２実施形態では第１実施形態の効果に加えて、以下の効果を得ることができる。低負荷域で混合気濃度が相対的に薄い場合では、第２点火プラグ２１による放電を圧縮上死点前４０°付近で実施し、排気バルブ８近傍にラジカル（活性化学種）を生成させることで、リーン混合気であっても確実な着火を得ることができる。
【００６６】
また、高負荷域では急速な燃焼を回避するために圧縮上死点以降に着火をさせる必要がある。このような状況では圧縮だけでは上死点前に着火が発生しないように前記マイナスオーバーラップ量を調整し、かつ第２点火プラグ２１で上死点以降での放電を実施することで要求する時期に着火を発生させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧縮自己着火式ガソリン機関の第１実施形態の構成図である。
【図２】実施形態におけるピストン冠面形状を示した図である。
【図３】実施形態の各運転モードにおけるタンブル制御バルブの状態と燃焼室内に形成されるタンブル流の状態を示した図である。
【図４】実施形態における圧縮行程の混合気状態を示した図である。
【図５】実施形態における膨張行程の混合気状態を示した図である。
【図６】燃焼室内ガスの温度分布と未燃燃料発生の状況を示した図である。
【図７】実施形態におけるタンブル制御バルブの効果を示した図である。
【図８】本発明による未燃燃料低減の効果を示した図である。
【図９】本発明における吸、排気バルブタイミングの設定の一例を示す図である。
【図１０】本発明の第２実施形態の要部を示す図である。
【図１１】本発明における噴射時期と排気ＨＣ排出率の関係を示した図である。
【符号の説明】
１ シリンダブロック
２ ピストン
３ シリンダヘッド
４ 燃焼室
５ 吸気ポート
６ 吸気バルブ
７ 排気ポート
８ 排気バルブ
９ 吸気カム
１０ 排気カム
１１ 吸気バルブ開閉時期可変手段
１２ 排気バルブ開閉時期可変手段
１３ 吸気管
１４ タンブル制御バルブ
１５ スロットルバルブ
１６ タンブル制御バルブ開閉手段
１７ スロットルバルブ開閉手段
１８ 仕切り板
１９ 燃料噴射弁
２０ 点火プラグ
２１ 第２点火プラグ
２２ エンジンコントロールユニット
２３ 燃料ポンプ
２４ ピストン冠面凹部
２５ 凹部接平面
２６ 排気バルブ外端
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも一部の運転領域において、混合気を圧縮して自己着火させる圧縮自己着火式ガソリン機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮自己着火燃焼は、燃焼室の多点で燃焼が開始されるため燃焼速度が速く、通常の火花点火燃焼に比べて空燃比がリーンな状態でも安定した燃焼を実現することができる。このため、燃料消費率の向上が可能であり、また、空燃比がリーンなため燃焼温度が低下することから、排気ガス中のＮＯｘを大幅に低減することもできる。
【０００３】
また、高回転、高負荷領域では、通常の火花点火燃焼を行わせ、低回転、低中負荷領域では前記火花点火燃焼から圧縮自己着火燃焼に燃焼形態を切り替えることによって、高回転、高負荷時の高出力性能の確保と、低回転、低中負荷時の燃料消費率向上及びＮＯｘの低減という環境性能向上の両立を図ることができる。
【０００４】
ガソリンのような自己着火性の低い燃料を用いて圧縮自己着火燃焼を行なわせる場合、残留ガスの持つ熱エネルギを利用することが有効である。これは例えば特開平１０−２６６８７８号公報に示されているように、排気行程から吸気行程に移行する際に、排気バルブと吸気バルブがともに閉となるマイナスオーバラップ期間（密閉期間）を設けて、残留ガスを積極的に生じさせる所謂内部ＥＧＲを行なわせることで実現される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成にあっては、吸気ポートに噴射された燃料が新気と混合した状態で燃焼室内に導入され、燃焼室内に残留した内部ＥＧＲガスと均一に混合するようになるため、燃焼室壁面近傍の低温層に分布する燃料は圧縮自己着火に至らずに未燃燃料として排出されるので、燃料効率の悪化および排気ＨＣが増加するという問題点があった。
【０００６】
前記燃焼室壁面での未燃燃料は、混合気ガス温度が低い程かつ燃料濃度が低い程増加する傾向を持っているため、低負荷時の圧縮自己着火燃焼ほど顕著に発生する。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みたもので、その目的は、燃焼室内における高温のＥＧＲガスおよび燃料分布をコントロールし、排気バルブ近傍の燃焼室内温度を高く、また燃料濃度を濃くすることで、圧縮自己着火燃焼時の未燃燃料の排出を低減するとともに燃費を向上させた圧縮自己着火式ガソリン機関を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項１記載の発明は、少なくとも一部の運転領域で混合気を圧縮自己着火燃焼させる圧縮自己着火式ガソリン機関において、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、筒内における燃料濃度を排気バルブ側が吸気バルブ側に対して濃くなるように前記燃料噴射弁から燃料噴射することにより、前記圧縮自己着火燃焼時の筒内における燃焼開始位置を排気側としたことを要旨とする。
【００１０】
上記目的を達成するため請求項２記載の発明は、請求項１記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、排気上死点付近で吸気バルブ及び排気バルブが共に閉じたマイナスオーバーラップのバルブタイミングに制御可能な動弁機構を備え、圧縮自己着火運転領域でバルブタイミングを前記マイナスオーバーラップに設定することにより排気の一部を内部ＥＧＲガスとして筒内に残留させることを要旨とする。
【００１１】
上記目的を達成するため請求項３記載の発明は、請求項２記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、前記圧縮自己着火運転領域における筒内のガス温度を排気バルブ側が吸気バルブ側に対して高くなるようにしたことを要旨とする。
【００１２】
上記目的を達成するため請求項４記載の発明は、請求項３記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、燃焼室内のガス流動を制御するガス流動制御手段を吸気系に備え、圧縮自己着火燃焼領域では新気を燃焼室内の吸気バルブ側に分布させ、前記内部ＥＧＲガスを排気側に層状に分布させたことを要旨とする。
【００１３】
上記目的を達成するため請求項５記載の発明は、請求項４記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、前記ガス流動制御手段は、燃焼室内に生成するタンブル流を制御可能なタンブル制御手段であり、圧縮自己着火運転領域では筒内に生成するタンブル流はピストン冠面を吸気側から排気側へ流れる逆タンブル流とし、火花点火燃焼運転領域では前記タンブル流がピストン冠面を排気側から吸気側へ流れる順タンブル流となるように制御することを要旨とする。
【００１４】
上記目的を達成するため請求項６記載の発明は、請求項２ないし請求項４のいずれか１項記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、前記マイナスオーバーラップ期間中に燃料の一部を噴射し、圧縮行程後半に残りの燃料を噴射することを要旨とする。
【００１５】
上記目的を達成するため請求項７記載の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、ピストン冠面に中心軸がクランク軸と並行となる略円筒面状の凹部を有し、該凹部の排気側端部で前記円筒面に接する接平面が、上死点前およそ３０°でのピストン位置において、前記シリンダヘッドと排気バルブの外端より内側で交差するように形成されていることを要旨とする。
【００１６】
上記目的を達成するため請求項８記載の発明は、請求項７に記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、前記燃料噴射弁より圧縮行程中に噴射された燃料が排気バルブの中心付近に偏在するように噴射時期を制御することを要旨とする。
【００１８】
上記目的を達成するため請求項９記載の発明は、シリンダヘッドの燃焼室略中央に点火プラグを有し、かつ筒内に直接燃料を噴射する噴射弁を吸気ポートの下方に配置し、該噴射弁より噴射された燃料により成層混合気を形成したのち火花点火により着火し火炎伝播燃焼する成層燃焼運転領域と、自己着火燃焼運転領域とを有する圧縮自己着火式ガソリン機関において、同一エンジン回転数における自己着火燃焼運転時の圧縮行程後半での噴射時期を前記成層燃焼運転領域での噴射時期よりも早い時期に噴射することを要旨とする。
【００１９】
上記目的を達成するため請求項１０記載の発明は、請求項９に記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、前記自己着火燃焼運転時の圧縮行程後半での噴射時期と圧縮上死点までの間隔が前記成層燃焼運転領域での噴射時期から点火時期までの間隔に対し約２倍となるように設定したことを要旨とする。
【００２０】
上記目的を達成するため請求項１１記載の発明は、圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼とを運転条件により切り換える圧縮自己着火式ガソリン機関において、吸気ポート内部を上下の吸気通路に仕切る仕切り板と、前記上下の吸気通路のいずれか一方を閉じることが可能なタンブル制御弁とを備え、圧縮着火燃焼時には前記タンブル制御弁により上側の吸気通路を閉じて燃焼室内に逆タンブル流を生じさせ、火花点火の成層燃焼時には前記タンブル制御弁により下側の吸気通路を閉じて燃焼室内に順タンブル流を生じさせ、火花点火の均質燃焼時には前記上下の吸気通路を共に開くことを要旨とする。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、筒内における燃料濃度を排気バルブ側が吸気バルブ側に対して濃くなるようにしたため、圧縮自己着火燃焼が筒内の排気側から開始されるようになり、排気バルブ近傍の燃焼室壁面における燃料は高温な既燃ガスに曝されかつ燃焼の進行とともに圧縮を受けるため高温となり易く燃焼が進み、吸気バルブ側に対し未燃燃料の発生が抑えられる。排気行程では燃焼度が高く未燃ＨＣが殆どない排気バルブ側のガスが先に排出され、吸気バルブ側に存在し筒内未燃ＨＣの大半を占めるガスが自己ＥＧＲとして筒内に残留しやすいため、排気ガス中に存在する未燃ＨＣが低減し熱効率向上と排気の浄化が図れる。
【００２２】
さらにシリンダヘッドの燃焼室壁面における温度分布は排気バルブ付近が高温であること、および排気バルブ付近では濃い混合気が存在することにより排気バルブ近傍の未燃燃料が低減する。
【００２３】
請求項２記載の発明によれば、排気上死点付近で吸気バルブ及び排気バルブが共に閉じたマイナスオーバーラップのバルブタイミングに制御可能な動弁機構を備え、圧縮自己着火運転領域でバルブタイミングを前記マイナスオーバーラップに設定することにより、吸気側に存在する未燃燃料を含むガスは前記マイナスオーバーラップにより排気バルブが排気行程途中で閉となるためさらに排出され難くなり、残留ガスとともに次サイクルに持ち越されることとなる。よって請求項１に記載の効果をより高めることができる。
【００２４】
請求項３記載の発明によれば、筒内のガス温度分布を排気バルブ側が吸気バルブ側に対して高くなるようにしているため、排気側からの燃焼開始を実現できるとともに、排気バルブ付近での混合気温度が上昇するため排気バルブ近傍の未燃燃料が低減し、請求項１または２に記載の効果をより高めることができる。
【００２５】
請求項４記載の発明によれば、燃焼室内のガス流動を制御するガス流動制御手段を吸気系に備え、圧縮自己着火燃焼領域では新気を燃焼室内の吸気バルブ側に分布させ、前記内部ＥＧＲガスを排気側に層状に分布させたことにより、請求項３記載の排気側が吸気側より高い筒内ガス温度分布を実現できる。
【００２６】
請求項５記載の発明によれば、前記ガス流動制御手段は、燃焼室内に生成するタンブル流を制御可能なタンブル制御手段であり、圧縮自己着火運転領域では筒内に生成するタンブル流はピストン冠面を吸気側から排気側へ流れる逆タンブル流とし、火花点火燃焼運転領域では前記タンブル流がピストン冠面を排気側から吸気側へ流れる順タンブル流となるように制御するようにしたので、圧縮自己着火燃焼時の筒内温度分布と、火花点火燃焼時の筒内ガス流動とを両立させ、火花点火運転領域の性能を犠牲にすることなく、請求項４記載の効果を得ることが可能となる。
【００２７】
請求項６記載の発明によれば、前記マイナスオーバーラップ期間中に燃料の一部を燃焼室内に供給するようにしているため、前記マイナスオーバーラップ期間中の上死点近傍において前記内部ＥＧＲ中に残存する酸素と未燃燃料および新たに投入した前記燃料が部分的に酸化され、反応性の高い燃料に改質される。この改質された燃料はより低温域での燃焼が可能となるため、請求項２から４の効果に加えて、燃焼室壁面での未燃燃料の発生を抑制することが可能となる。
【００２８】
請求項７記載の発明によれば、ピストン冠面に中心軸がクランク軸と並行となる略円筒面状の凹部を有し、該凹部の排気側端部で前記円筒面に接する接平面が、上死点前およそ３０°のピストン位置において、前記シリンダヘッドと排気バルブの外端より内側で交差するように形成されている。このため燃料噴射弁より供給された燃料は前記ピストン冠面の凹部に沿ってシリンダヘッド面の中でも高温な排気バルブ近傍へと輸送されるため、請求項１から６記載の効果を確実に得ることが可能となる。
【００２９】
請求項８記載の発明によれば、燃料噴射弁から噴射された燃料が排気バルブの中心を指向するタイミングに噴射するため、請求項７の効果を確実に得ることが可能となる。
【００３１】
請求項９および１０記載の発明によれば、圧縮自己着火運転領域での圧縮行程における燃料噴射時期を適切に設定することができるため排気ガス中に含まれる未燃燃料を低減することが可能となる。
【００３２】
請求項１１記載の発明によれば、吸気ポート内部を上下の吸気通路に仕切る仕切り板と、前記上下の吸気通路のいずれか一方を閉じることが可能なタンブル制御弁とを備え、圧縮着火燃焼時には前記タンブル制御弁により上側の吸気通路を閉じて燃焼室内に逆タンブル流を生じさせ、火花点火の成層燃焼時には前記タンブル制御弁により下側の吸気通路を閉じて燃焼室内に順タンブル流を生じさせ、火花点火の均質燃焼時には前記上下の吸気通路を共に開くようにしたので、圧縮自己着火燃焼時に排気側の温度を高めた筒内温度分布と、火花点火成層燃焼時の筒内ガス流動と、火花点火均質燃焼時の性能とをそれぞれ満足させた圧縮自己着火式ガソリン機関を提供することができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明に係る圧縮自己着火式ガソリン機関の第１の実施形態を示すシステム構成図である。図１において、シリンダブロック１と、ピストン２と、シリンダヘッド３とにより燃焼室４が形成されている。
【００３４】
シリンダヘッド３には、吸気ポート５とこれら吸気ポート５を開閉する吸気バルブ６、および吸気ポート５と対向的に配置された排気ポート７とこれら排気ポート７を開閉する排気バルブ８を備えている。
【００３５】
吸気バルブ６と排気バルブ８は、それぞれ吸気カム９と排気カム１０を介して図外のバルブ駆動系により開閉される。このバルブ駆動系はエンジンコントロールユニット２２からの指示により開閉時期可変手段１１，１２を介して吸気バルブ６、排気バルブ８の開閉時期を制御可能な構成としてある。即ち、機関の低、中負荷領域では実質的な圧縮比の変更、内部ＥＧＲガス量などを制御し、圧縮自己着火運転が可能な高温、高圧状態を実現できる構成としている。
【００３６】
吸気ポート５の上流には吸気管１３が接続されており、吸気管１３には下流側端面近くにタンブル制御バルブ１４を付設してあり、上流側には空気量調整用スロットルバルブ１５と図示しない空気量測定用のエアフロメーター、エアクリーナ等を設けてある。
【００３７】
さらに吸気ポート５の内部には、吸気バルブ６の近傍から吸気管１３との接合面に渡って、管を上下に分割する仕切り板１８ａが設けられている。同様に吸気管１３には吸気ポート５との接合面からタンブル制御バルブ１４の回転中心軸に渡る仕切り板１８ｂが前記仕切り板１８ａと連続的に設けられている。
【００３８】
タンブル制御バルブ１４とスロットルバルブ１５は、それぞれエンジンコントロールユニット２２により開閉手段１６，１７を介してバルブ開閉制御可能としてある。
【００３９】
一方、シリンダヘッド３には吸気ポート５の下に臨んで、燃料ポンプ２３から供給されるガソリン燃料を直接燃焼室４内に噴射する燃料噴射弁１９を設けてある。
【００４０】
またシリンダヘッド３には燃焼室４内の略中心位置に点火プラグ２０が設けられており、点火プラグ２０は主に高回転、高負荷時に通常の火花点火燃焼を行なう場合に使用する。
【００４１】
エンジンコントロールユニット２２には、機関運転条件を示す信号として、機関回転数信号、クランク角度信号、負荷信号、空気量信号、吸気温度信号、排気温度信号、燃圧信号、油水温信号などが入力され、これら各種の信号に基づいて演算処理を実施し、前記吸気バルブ６、排気バルブ８のバルブタイミング、タンブル制御バルブ１４、スロットルバルブ１５の各バルブ開度制御、燃料噴射弁１９の噴射量と噴射時期、および点火プラグ２０の点火時期を適切に制御している。
【００４２】
図２は、ピストン２の冠面形状を示す平面図及び側面図である。図２に示すように、ピストン２の冠面略中央部には機関のクランク軸と略平行な中心軸を有する略円筒面状の凹部２４を設けてある。そして、ピストン２の凹部２４の排気側の端部で前記円筒面に接する接平面２５が、上死点前およそ３０°でのピストン位置において、前記シリンダヘッド３と排気バルブ８の外端２６より内側で交差するように形成されている。
【００４３】
このため、凹部２４により吸気行程で形成されたタンブル流が圧縮行程まで維持され、さらに圧縮行程後半で燃料噴射弁１９より噴射された燃料が凹部２４に沿って吸気側から排気側に輸送され、圧縮上死点付近では排気バルブ８付近に到達するようになっている。
【００４４】
図９の（ａ）、（ｂ）は吸気バルブ６、排気バルブ８のバルブタイミングの可変制御の一例を示しており、火花点火運転時には通常のバルブタイミングである（ａ）の状態とし、排気上死点付近において排気バルブ８と吸気バルブ６がともに開となる所定量のバルブオーバーラップ時期が発生するように設定される。
【００４５】
圧縮自己着火運転時にはバルブタイミングを（ｂ）の状態とし、すなわち排気バルブ８の閉時期が進角して排気行程途中で閉弁するとともに、吸気バルブ６の開時期が遅角して吸気行程途中で開弁するように制御されマイナスオーバーラップ状態になるように設定されている。
【００４６】
このように排気上死点付近で吸排気弁が共に閉じたマイナスオーバーラップ期間（密閉期間）を成すバルブタイミングとすることで、排気バルブ閉時期の燃焼室容積に相当する既燃ガスを燃焼室４内に滞留させて次サイクルへ内部ＥＧＲガスとして持ち越すことが可能となる。この内部ＥＧＲガスのもつ熱エネルギを有効に利用して後述するようにリーン空燃比での圧縮自己着火燃焼が圧縮上死点付近で実現される。
【００４７】
次に、本実施形態の動作について説明する。
図３は、各運転モードにおけるタンブル制御バルブ１４の開閉状態と、燃焼室４内に形成されるタンブル流の状態を説明する図である。
【００４８】
圧縮自己着火運転時には、図３（ａ）に示すように、仕切り板１８で仕切られた吸気ポート５の上段５ａの通路が閉となり、同下段５ｂの通路が開となる状態にタンブル制御バルブ１４を制御する。この結果、新気は主に吸気バルブ６の外側を通って燃焼室４内に流入し、燃焼室４内には弱い逆タンブル流２７が発生する。そのため燃焼室４内では冷えた新気が吸気側およびピストン２の上面に主に分布し、他方、前述のマイナスオーバーラップにより閉じ込められていた内部ＥＧＲガスは相対的に排気バルブ７の付近に分布し、筒内のガス温度は排気バルブ７付近がより高温な状態となる。
【００４９】
一方、低回転での火花点火運転時では、図３（ｂ）に示すように、吸気ポート５の下段５ｂの通路が閉となり、同上段５ａの通路が開となる状態にタンブル制御バルブ１４を制御する。これにより燃焼室４内には強い順タンブル流２８が発生し、燃料噴射弁１９からの燃料噴射タイミングが吸気行程前半の場合には均一な混合気生成を助けるとともに、噴射タイミングが圧縮行程後半となるような場合には噴霧貫徹力と順タンブル流による流動成分があいまって、点火プラグ２０付近に成層混合気を形成することができ、火花点火での成層燃焼を実現する。
【００５０】
高回転、高負荷での火花点火運転時では、図３（ｃ）に示すように、タンブル制御バルブ１４は仕切り板１８と略平行となる状態に制御し、吸気ポート５の上段５ａ及び下段５ｂが共に開いた状態にする。このため新気の流入抵抗を増加させることがなく、火花点火運転時の全負荷時の性能が維持される。
【００５１】
次に、図４を用いて本実施形態の燃料分布状態を説明する。図４（ａ）は、圧縮行程前半における燃焼室内の新気とＥＧＲガスの分布を示し、図４（ｂ）は、圧縮行程後半の燃料噴射の様子を示し、図４（ｃ）は、圧縮行程後半の燃料拡散の様子をそれぞれ示すものである。
【００５２】
図４（ｂ）に示すように、圧縮自己着火運転時の燃料は、圧縮行程後半に前記ピストン冠面に形成した凹部２４を指向して噴射される。該燃料は気化、拡散しながら自らの貫徹力および燃焼室４内に生成している逆タンブル流により、前記凹部２４の円筒面に沿って排気バルブ側に輸送され、混合気の燃料濃度は排気バルブ近傍が濃く、吸気側に向かう程薄くなる状態に形成される。
【００５３】
ピストン冠面の前記凹部２４の排気側端部で前記円筒面に接する接平面２５が、上死点前およそ３０°でのピストン位置において、シリンダヘッド３と排気バルブ８の外端２６より内側で交差するように形成されているため、燃料が低温の燃焼室壁面に囲まれた図４中のＡ部に進入することを抑制している。
【００５４】
さらに燃料の噴射時期としては、圧縮上死点付近で混合気の燃料濃度の中心が排気バルブ８の中心となるように設定している。これにより燃料はシリンダヘッド３の燃焼室４内に臨む面の内、もっとも高温となる排気バルブ８近傍に分布することとなる。
【００５５】
この結果、図６に示すように燃焼室壁面近傍のガス温度低温域で発生する未燃ガスは、排気バルブ８近傍において、内部ＥＧＲの選択的分布、混合気濃度のリッチ化、および高温の燃焼室壁温の効果が協働することにより大幅に減少する。
【００５６】
次に、図５を参照して自己着火燃焼時の着火から膨張行程にかけての状態を説明する。
【００５７】
燃焼室４内の混合気は排気バルブ近傍がリッチかつ高温であるため、最初の着火は、図５（ａ）に示すように排気バルブ８付近で発生し、ここで燃焼したガスが膨張することで、その周囲の未燃状態の混合気は排気バルブ８に対向する燃焼室面に向かって圧縮されて行く。この圧縮により未燃状態の混合気温度が上昇し、燃料は図５（ｂ）に示すように順次着火、燃焼して行く。
【００５８】
燃焼終了時には、図５（ｃ）に示すように、ピストン冠面、および吸気バルブ付近にのみ着火に至らなかった未燃燃料の層が存在することとなる。
【００５９】
以上の結果、図８に示すように、排気ポート７で計測される排気バルブ８開時に発生する未燃燃料（ＨＣ）濃度の第１のピークは、排気バルブ８付近の燃焼室壁面で発生する未燃燃料を低減したことで低下し、排気行程終了前に発生する第２のピーク、すなわち吸気側燃焼室壁面、ピストン冠面等で発生した未燃燃料は排出される前に、排気バルブ８が閉となるため、内部ＥＧＲガス中に閉じ込められ、次サイクルにおいて燃焼することとなる。よって、燃焼効率の向上と排気ガスの浄化を同時に得ることを可能としている。
【００６０】
上記効果に加え、前記マイナスオーバーラップ期間中に燃料の一部を噴射すると、排気上死点付近での圧縮により、内部ＥＧＲガス中に存在する酸素を用いた燃料改質が可能である。自己着火運転領域の低負荷域では、着火性の確保および相対的にリーン混合気での自己着火燃焼を行なう必要があるが、前記燃料改質により、内部ＥＧＲガス中の燃料を改質することで、リーンな混合気においても排気バルブ８付近で発生する未燃燃料を低減することが可能となる。
【００６１】
また、自己着火燃焼領域における圧縮行程後半における噴射時期と排気ポート７で計測されるＨＣ排出率との関係の一例を図１１に示す。自己着火燃焼領域におけるＨＣ排出率の低減を図るためには、最適な噴射時期が存在することがわかる。これは早すぎる噴射時期では燃料の拡散が進み過ぎるため混合気が希薄となり、反対に遅過ぎる噴射時期では排気バルブ８付近に充分濃い混合気を形成できず、図６に示す未燃燃料低減効果が充分には得られなくなるためである。
【００６２】
前記最適な噴射時期は、同一のエンジン回転数において適合された火花点火、成層燃焼運転領域の噴射時期よりも早いことがわかる。これは前記成層燃焼運転領域の噴射時期は成層混合気がシリンダヘッド３の略中央に配置された点火プラグ２０に到達するのに適した時期であるのに対し、圧縮自己着火運転領域の噴射時期は前記点火プラグ２０を通り越し排気バルブ８付近に到達しなければならず、長い時間を要するためである。
【００６３】
さらに、圧縮自己着火燃焼時の最適噴射時期は、噴射から圧縮上死点までに要する期間が、同一エンジン回転数における前記成層燃焼時の噴射から点火までの期間の約２倍となる時期となる。これは、圧縮自己着火燃焼時の着火は圧縮上死点付近で発生すること、および燃料噴射弁１９から排気バルブ８までの距離は該燃料噴射弁１９から点火プラグ２０までの距離の２倍弱であるが、燃料噴霧の持つ貫徹力が減衰することとあいまって生じるためである。
【００６４】
次に図１０に基づいて本発明の第２実施の形態について説明する。
第２実施形態では、第１実施形態に対し、第２点火プラグ２１を排気ポート７の下方で燃焼室４内に臨む位置に追加して設置したことを特徴としている。第２点火プラグ２１はエンジンコントロールユニット２２により点火時期が制御されており、主に圧縮自己着火燃焼時に放電を行い圧縮自己着火燃焼開始を補助するために用いている。
【００６５】
第２実施形態では第１実施形態の効果に加えて、以下の効果を得ることができる。低負荷域で混合気濃度が相対的に薄い場合では、第２点火プラグ２１による放電を圧縮上死点前４０°付近で実施し、排気バルブ８近傍にラジカル（活性化学種）を生成させることで、リーン混合気であっても確実な着火を得ることができる。
【００６６】
また、高負荷域では急速な燃焼を回避するために圧縮上死点以降に着火をさせる必要がある。このような状況では圧縮だけでは上死点前に着火が発生しないように前記マイナスオーバーラップ量を調整し、かつ第２点火プラグ２１で上死点以降での放電を実施することで要求する時期に着火を発生させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧縮自己着火式ガソリン機関の第１実施形態の構成図である。
【図２】実施形態におけるピストン冠面形状を示した図である。
【図３】実施形態の各運転モードにおけるタンブル制御バルブの状態と燃焼室内に形成されるタンブル流の状態を示した図である。
【図４】実施形態における圧縮行程の混合気状態を示した図である。
【図５】実施形態における膨張行程の混合気状態を示した図である。
【図６】燃焼室内ガスの温度分布と未燃燃料発生の状況を示した図である。
【図７】実施形態におけるタンブル制御バルブの効果を示した図である。
【図８】本発明による未燃燃料低減の効果を示した図である。
【図９】本発明における吸、排気バルブタイミングの設定の一例を示す図である。
【図１０】本発明の第２実施形態の要部を示す図である。
【図１１】本発明における噴射時期と排気ＨＣ排出率の関係を示した図である。
【符号の説明】
１ シリンダブロック
２ ピストン
３ シリンダヘッド
４ 燃焼室
５ 吸気ポート
６ 吸気バルブ
７ 排気ポート
８ 排気バルブ
９ 吸気カム
１０ 排気カム
１１ 吸気バルブ開閉時期可変手段
１２ 排気バルブ開閉時期可変手段
１３ 吸気管
１４ タンブル制御バルブ
１５ スロットルバルブ
１６ タンブル制御バルブ開閉手段
１７ スロットルバルブ開閉手段
１８ 仕切り板
１９ 燃料噴射弁
２０ 点火プラグ
２１ 第２点火プラグ
２２ エンジンコントロールユニット
２３ 燃料ポンプ
２４ ピストン冠面凹部
２５ 凹部接平面
２６ 排気バルブ外端
Claims (11)
- 少なくとも一部の運転領域で混合気を圧縮自己着火燃焼させる圧縮自己着火式ガソリン機関において、
筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、筒内における燃料濃度を排気バルブ側が吸気バルブ側に対して濃くなるように前記燃料噴射弁より燃料噴射することにより、前記圧縮自己着火燃焼時の筒内における燃焼開始位置を排気側としたことを特徴とする圧縮自己着火式ガソリン機関。 - 排気上死点付近で吸気バルブ及び排気バルブが共に閉じたマイナスオーバーラップのバルブタイミングに制御可能な動弁機構を備え、圧縮自己着火運転領域でバルブタイミングを前記マイナスオーバーラップに設定することにより排気の一部を内部ＥＧＲガスとして筒内に残留させることを特徴とする請求項１記載の圧縮自己着火式ガソリン機関。
- 前記圧縮自己着火運転領域における筒内のガス温度を排気バルブ側が吸気バルブ側に対して高くなるようにしたことを特徴とする請求項２記載の圧縮自己着火式ガソリン機関。
- 燃焼室内のガス流動を制御するガス流動制御手段を吸気系に備え、圧縮自己着火燃焼領域では新気を燃焼室内の吸気バルブ側に分布させ、前記内部ＥＧＲガスを排気側に層状に分布させたことを特徴とする請求項３記載の圧縮自己着火式ガソリン機関。
- 前記ガス流動制御手段は、燃焼室内に生成するタンブル流を制御可能なタンブル制御手段であり、圧縮自己着火運転領域では筒内に生成するタンブル流はピストン冠面を吸気側から排気側へ流れる逆タンブル流とし、火花点火燃焼運転領域では前記タンブル流がピストン冠面を排気側から吸気側へ流れる順タンブル流となるように制御することを特徴とする請求項４記載の圧縮自己着火式ガソリン機関。
- 前記マイナスオーバーラップ期間中に燃料の一部を噴射し、圧縮行程後半に残りの燃料を噴射することを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１項記載の圧縮自己着火式ガソリン機関。
- ピストン冠面に中心軸がクランク軸と並行となる略円筒面状の凹部を有し、該凹部の排気側端部で前記円筒面に接する接平面が、上死点前およそ３０°でのピストン位置において、前記シリンダヘッドと排気バルブの外端より内側で交差するように形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式ガソリン機関。
- 前記燃料噴射弁より圧縮行程中に噴射された燃料が排気バルブの中心付近に偏在するように噴射時期を制御することを特徴とする請求項７に記載の圧縮自己着火式ガソリン機関。
- シリンダヘッドの燃焼室略中央に点火プラグを有し、かつ筒内に直接燃料を噴射する噴射弁を吸気ポートの下方に配置し、該噴射弁より噴射された燃料により成層混合気を形成したのち火花点火により着火し火炎伝播燃焼する成層燃焼運転領域と、自己着火燃焼運転領域とを有する圧縮自己着火式ガソリン機関において、同一エンジン回転数における自己着火燃焼運転時の圧縮行程後半での噴射時期を前記成層燃焼運転領域での噴射時期よりも早い時期に噴射することを特徴とする圧縮自己着火式ガソリン機関。
- 前記自己着火燃焼運転時の圧縮行程後半での噴射時期と圧縮上死点までの間隔が前記成層燃焼運転領域での噴射時期から点火時期までの間隔に対し約２倍となるように設定した ことを特徴とする請求項９に記載の圧縮自己着火式ガソリン機関。
- 圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼とを運転条件により切り換える圧縮自己着火式ガソリン機関において、吸気ポート内部を上下の吸気通路に仕切る仕切り板と、前記上下の吸気通路のいずれか一方を閉じることが可能なタンブル制御弁とを備え、圧縮着火燃焼時には前記タンブル制御弁により上側の吸気通路を閉じて燃焼室内に逆タンブル流を生じさせ、火花点火の成層燃焼時には前記タンブル制御弁により下側の吸気通路を閉じて燃焼室内に順タンブル流を生じさせ、火花点火の均質燃焼時には前記上下の吸気通路を共に開くことを特徴とする圧縮自己着火式ガソリン機関。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000070820A JP3840871B2 (ja) | 2000-03-14 | 2000-03-14 | 圧縮自己着火式ガソリン機関 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000070820A JP3840871B2 (ja) | 2000-03-14 | 2000-03-14 | 圧縮自己着火式ガソリン機関 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001263067A JP2001263067A (ja) | 2001-09-26 |
| JP3840871B2 true JP3840871B2 (ja) | 2006-11-01 |
Family
ID=18589490
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000070820A Expired - Lifetime JP3840871B2 (ja) | 2000-03-14 | 2000-03-14 | 圧縮自己着火式ガソリン機関 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3840871B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010090794A (ja) * | 2008-10-08 | 2010-04-22 | Nissan Motor Co Ltd | 内燃機関およびその燃焼制御方法 |
Families Citing this family (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3991789B2 (ja) | 2002-07-04 | 2007-10-17 | トヨタ自動車株式会社 | 混合気を圧縮自着火させる内燃機関 |
| JP4033160B2 (ja) | 2004-03-30 | 2008-01-16 | トヨタ自動車株式会社 | 予混合圧縮自着火運転が可能な内燃機関の制御装置 |
| FR2877047A1 (fr) * | 2004-10-25 | 2006-04-28 | Renault Sas | Procede de commande d'un moteur de vehicule via des lois de levee de soupapes |
| JP4618181B2 (ja) * | 2006-03-30 | 2011-01-26 | 三菱自動車工業株式会社 | 予混合圧縮自己着火型のガソリン内燃機関 |
| JP4737103B2 (ja) * | 2007-01-30 | 2011-07-27 | マツダ株式会社 | ガソリンエンジンの制御装置 |
| US7802555B2 (en) * | 2008-03-18 | 2010-09-28 | Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha | Intake control device for an engine |
| JP5020909B2 (ja) * | 2008-09-02 | 2012-09-05 | 本田技研工業株式会社 | 内燃機関の可変動弁装置 |
| US20130213349A1 (en) * | 2010-10-26 | 2013-08-22 | Delphi Technologies, Inc | High-Efficiency Internal Combustion Engine and Method for Operating Employing Full-Time Low-Temperature Partially-Premixed Compression Ignition with Low Emissions |
| JP5908321B2 (ja) * | 2012-03-30 | 2016-04-26 | 本田技研工業株式会社 | 内燃機関 |
| WO2013146703A1 (ja) * | 2012-03-30 | 2013-10-03 | 本田技研工業株式会社 | 内燃機関の吸気装置 |
| JP6000785B2 (ja) * | 2012-09-28 | 2016-10-05 | 本田技研工業株式会社 | 内燃機関の吸気装置 |
| JP6005465B2 (ja) * | 2012-09-28 | 2016-10-12 | 本田技研工業株式会社 | 内燃機関の吸気装置 |
| JP6642558B2 (ja) * | 2017-12-12 | 2020-02-05 | マツダ株式会社 | 予混合圧縮着火式エンジン |
| JP7481910B2 (ja) * | 2020-06-03 | 2024-05-13 | 株式会社Subaru | エンジン、および隔壁プレートの断面形状の設定方法 |
-
2000
- 2000-03-14 JP JP2000070820A patent/JP3840871B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010090794A (ja) * | 2008-10-08 | 2010-04-22 | Nissan Motor Co Ltd | 内燃機関およびその燃焼制御方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2001263067A (ja) | 2001-09-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3815163B2 (ja) | 圧縮自己着火式内燃機関 | |
| JP3544257B2 (ja) | 高圧縮比筒内噴射内燃機関 | |
| JP3963144B2 (ja) | 火花点火式エンジンの制御装置 | |
| JP3337931B2 (ja) | 筒内噴射式エンジン | |
| US7089908B2 (en) | Control device and control method for direct injection engine | |
| US7654245B2 (en) | Method of operating a spark ignition internal combustion engine | |
| JP3052856B2 (ja) | 排気昇温装置 | |
| JP3852363B2 (ja) | エンジンの制御装置 | |
| JP3613018B2 (ja) | 筒内噴射式エンジンの制御装置 | |
| JP3840871B2 (ja) | 圧縮自己着火式ガソリン機関 | |
| JP4253986B2 (ja) | 筒内噴射式エンジンの制御装置 | |
| JP7047581B2 (ja) | 圧縮着火式エンジンの制御装置 | |
| JP3765216B2 (ja) | 圧縮自己着火式ガソリン内燃機関 | |
| US20210033042A1 (en) | Engine control method and engine control device | |
| US8539754B2 (en) | Method for an emission-optimized transfer from a mode of an internal combustion engine to another mode | |
| JP3912500B2 (ja) | 内燃機関 | |
| JP2002256924A (ja) | 圧縮着火式エンジンの燃焼制御装置 | |
| US20210033038A1 (en) | Engine control method and engine control device | |
| JP3613020B2 (ja) | 筒内噴射式エンジンの制御装置 | |
| JP4078737B2 (ja) | 筒内噴射型４サイクルエンジン | |
| JP2005054676A (ja) | 火花点火式エンジン | |
| JP4036021B2 (ja) | エンジンの制御装置 | |
| JP4107180B2 (ja) | 火花点火式エンジンの制御装置 | |
| JP3711941B2 (ja) | 火花点火式エンジンの制御装置 | |
| JP3151273B2 (ja) | エンジンの燃焼制御装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050118 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050125 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050317 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20060404 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060519 |
|
| A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20060530 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20060718 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20060731 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 3840871 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090818 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100818 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110818 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120818 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120818 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130818 Year of fee payment: 7 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |