JP5783701B2 - 筒内噴射エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、筒内噴射エンジンとその制御装置に関する。

冷機始動時の触媒が未活性な状態では排気ガス中の有害物質がそのまま大気に排出されてしまうため、触媒早期活性化を目的として圧縮行程に燃料噴射し点火プラグ周りに混合気を成層化させる技術が知られており、例えば特許文献１，２がある。

特開２００８−１５１０２０号公報 特開２００８−１７５１８７号公報

触媒を早期活性化するために、点火時期を上死点よりもリタードすることで排気ガス温度を上昇させる点火リタード制御手法が用いられており、点火リタード時に安定して燃焼させるために点火プラグ周りに混合気を成層化させる必要がある。混合気を点火プラグ周りに成層化するために圧縮行程後期に燃料噴射し、ピストン形状や噴霧の持つ貫徹力によって混合気を点火プラグ周りに集めるが、燃料噴射弁の先端からピストンまでの距離が短く、多量の燃料がピストン表面に付着する。この場合、燃料液膜が形成された箇所で拡散燃焼が生じ、粒子状物質（ＰＭ）の排出量が大幅に増加する課題がある。

このピストン付着を減らすためには圧縮行程の燃料噴射を早期化する必要がある。インジェクタ先端からピストンまでの距離が離れるほどピストン付着は減少するが、噴射された燃料がピストンに到達し混合気を形成した際に、この混合気と点火プラグの距離は遠くなるため点火プラグへの混合気成層化は困難となる。特に、噴射された燃料がピストン表面に到達する頃には噴霧の貫徹力は減少しており、ピストン表面の混合気を点火プラグに成層化させるために混合気を点火プラグまで輸送する手段が必要となる。

本発明は冷機始動時のファストアイドルにおいてピストンへの燃料付着低減と点火プラグへの混合気成層化の両立を目的としており、まずピストン付着低減のために燃料噴射時期を、吸気行程中期からピストン下死点近傍の間となるように設定する。そして、ピストン表面の混合気を点火プラグに輸送するために、吸気弁の開閉時期を可変可能な機構を設け、吸気弁の閉時期をピストン移動速度が最大となる圧縮行程中期に設定し、圧縮行程のピストン上昇によって燃焼室から吸気管に流出することで上昇流を生成するとともに、上昇した混合気を点火プラグに成層化させる手段を備えることを特徴としている。

請求項２記載の発明では、燃料噴霧重心線とピストン下死点でのピストン面の交点が点火プラグ中心線よりも排気側となるように噴霧仕様を決定している。これによりピストン下死点近傍で噴射された燃料がピストン面の排気側に混合気を形成するため、上昇流によって持ち上げられた混合気の点火プラグへの成層化が容易となる。

請求項３記載の発明では、ピストン冠面の排気側に窪みを設け、その窪みの吸気側の縁が点火プラグ下に配置されるようにピストン形状を決定している。空気流動と混合気は窪みの縁から上昇するためサイクル変動が抑えられ、点火リタード時により安定した燃焼が可能となる。

請求項４記載の発明では、燃料噴射回数を複数回に分割し、１回目の燃料噴射時期を吸気弁開口以降に設定している。すべての燃料を点火プラグ周りに成層化させると過剰に燃料が集中し、ＰＭが生成されることが懸念されるため、複数回に分けて燃料を噴射することで点火プラグ周りに成層化する燃料を減らし、ＰＭ生成を抑制することができる。

請求項５記載の発明では、請求項１の動作を触媒が未活性な状態で実施している。

ピストン下死点近傍で燃料を噴射することでピストンへの燃料付着を最小としつつ、吸気弁の閉じる時期を遅くすることで上昇流を生成し、この上昇流で混合気を点火プラグまで運ぶことで点火リタード時においてもプラグ周りに混合気を維持することが可能となりピストン付着低減と触媒早期活性化の両立が可能となる。

実施例１の１７３degＡＴＤＣにおける燃焼室内の様子を示す。 実施例１のピストン下死点における燃焼室内の様子を示す。 実施例１の２１０degＡＴＤＣにおける燃焼室内の様子を示す。 実施例１の２８０degＡＴＤＣにおける燃焼室内の様子を示す。 実施例１の３３０degＡＴＤＣにおける燃焼室内の様子を示す。 実施例２の１７３degＡＴＤＣにおける燃焼室内の様子を示す。 実施例２のピストン下死点における燃焼室内の様子を示す。 実施例２の２１０degＡＴＤＣにおける燃焼室内の様子を示す。 実施例２の２８０degＡＴＤＣにおける燃焼室内の様子を示す。 実施例２の３３０degＡＴＤＣにおける燃焼室内の様子を示す。 実施例３の８６degＡＴＤＣにおける燃焼室内の様子を示す。 実施例３の９０degＡＴＤＣにおける燃焼室内の様子を示す。 実施例３の１６６degＡＴＤＣにおける燃焼室内の様子を示す。 実施例３の２１０degＡＴＤＣにおける燃焼室内の様子を示す。 実施例３の２８０degＡＴＤＣにおける燃焼室内の様子を示す。 実施例３の３３０degＡＴＤＣにおける燃焼室内の様子を示す。 実施例１〜３における筒内噴射エンジンの構成を示す。 燃料噴射弁を横から見た場合の噴霧形状。 図１８のＡ−Ａ断面における噴霧断面形状。 実施例１，２における吸気弁の開口期間と燃料噴射時期の関係。 燃料噴霧とピストン，点火プラグの位置関係。 実施例３における吸気弁の開口期間と燃料噴射時期の関係。

第１〜３の実施例における筒内噴射エンジンの構成を図１７に示す。

シリンダヘッド１とシリンダブロック２、そしてシリンダブロックに挿入されたピストン３により燃焼室が形成され、燃焼室の中心上部に点火プラグ４が設けられている。燃焼室に吸気管５と排気管６がそれぞれ開口しており、開口部を開閉する吸気弁７と排気弁８が設けられている。排気弁と吸気弁は一般に用いられているカム動作方式となっており、排気弁は上死点閉じ、吸気弁は上死点開きとしている。吸気弁の開口期間は２２０degとなっている。また吸気弁の位相を可変にすることが可能な可変動弁９が設けられており、図２０のように基準位置での開時期０degＡＴＤＣ，閉時期２２０degＡＴＤＣであるのに対し、可変動弁を動作させることで開時期６０degＡＴＤＣ，閉時期２８０degＡＴＤＣにすることができる。

燃焼室の吸気側には燃焼室に直接燃料が噴射できるように燃料噴射弁１０が設けられる。燃料噴射弁は図１８に示すように６つの噴孔からそれぞれ噴射されるマルチホールインジェクタとなっており、噴霧は噴孔先端から３０mm下の断面形状で図１９のようになっている。本噴霧は吸気弁リフトが最大となった条件で燃料を噴射しても、吸気弁と当たらない形状となっており、燃料噴射弁は図１９において噴霧の右側が点火プラグの方向となるように設置されている。エンジンに燃料噴射弁を取り付けた状態では図２１に示すように噴霧重心線２０とピストン下死点での交点２１が、点火プラグ中心線２２よりも排気側に位置しており、燃料噴射時期がピストン下死点近傍の場合に、噴射された燃料がピストンの排気側に到達することになる。

燃料は高圧燃料ポンプ（図示しない）により昇圧され噴射される。ピストンはコンロッド１１を介してクランク軸１２と連結されており、クランク角センサ１３によりエンジン回転数を算出できる。シリンダブロックには水温センサ１４が取り付けられており、エンジン冷却水の温度を算出できる。吸気管の上流にはコレクタ１５が接続されており、コレクタの上流には図示していないがエアフローセンサとスロットル弁が備えられており、燃焼室に吸入される空気量をスロットルの開閉によって調節できる。図では１気筒のみの記述だが、本実施例は１気筒５００cc，圧縮比１０の４気筒エンジンでコレクタから各気筒に空気が分配されている。排気管下流には三元触媒１６や触媒温度センサ１７ほか、図示しないが空燃比センサ等が設けられている。エンジンコントロールユニット（図示しない）はセンサの信号を受け取り、デバイスを制御できるよう接続されており、ＥＣＵ内のＲＯＭにはエンジン回転数や水温，触媒温度，空燃比に応じた各種デバイスの設定値がマップデータとして記録されている。

第１の実施例を図１〜図５を用いて説明する。エンジン始動後、エンジン回転数が６００ｒ／min以上且つ触媒温度が触媒の活性する温度よりも低い場合、ファストアイドルと判断され点火リタード制御が開始される。点火時期は１６degＡＴＤＣと圧縮上死点よりも後ろに設定され、可変動弁が動作し吸気弁閉時期が２８０degＡＴＤＣとなるように制御される。点火時期と吸気弁閉時期に対しエンジントルクが所望の値となるように目標燃料量が算出される。ファストアイドルでは空燃比が１６となるように目標吸入空気量が算出され、吸入空気量が目標値となるようにスロットル開度が決定され、スロットル弁が制御される。本実施例ではエンジン回転数を１２００ｒ／min、図示平均有効圧を１.８bar、充填効率を４７％とし、これら条件からスロットル開度を決定しスロットルを制御している。

また、燃料圧力に応じたパルス幅が燃料噴射弁の噴射特性に応じて算出される。本実施例では１サイクル中に１回燃料を噴射する方式であり、燃料圧力１２ＭＰａ、噴射パルス幅は１.８ｍｓとなる。燃料噴射時期はピストン下死点である１８０degＡＴＤＣに対し１６０deg〜１９０degＡＴＤＣの範囲に設定され、本実施例では１６０degＡＴＤＣに設定している。吸気行程では噴射された燃料噴霧に対しピストンが離れる方向に動作しているため噴射可能範囲を広くとることができる。吸気弁の開口期間と噴射時期の関係を図２０に示す。

第１の実施例における動作について説明する。図１は燃料噴射直後である１７３degＡＴＤＣにおける燃焼室内の様子を示す。吸気行程でピストンが下降することで燃焼室内が負圧になり、吸気弁を開くことで吸気弁開口部から燃焼室内に空気が吸入される。空気は吸気弁の全周から流入し、吸気弁から排気側に流入する空気流動を気流１８、吸気側に流入する空気流動を気流１９とする。気流１８と気流１９はピストン表面の燃焼室中心付近で衝突しそこで上昇流に変化する。噴射された燃料は噴射方向に向かって進行する。

図２はピストン下死点における燃焼室内の様子を示す。噴射された燃料はピストン表面の排気側に到達し、気化して混合気を形成している。燃料噴射弁先端からピストン面までの距離が長いためピストンへの燃料付着が最小となっている。ピストン下死点近傍ではピストン速度が遅くなるため気流１８，１９は流速が低下している。

図３は圧縮行程前期の２１０degＡＴＤＣにおける燃焼室内の様子を示す。ピストンが上昇することで空気や混合気が押し上げられる。吸気弁が開いているために空気が燃焼室から吸気管に流出し、気流１８，１９の流速は大きくなる。気流１８，１９はピストン表面から吸気管に向かう上昇流となり、この上昇流によって混合気は吸気弁に向かって運ばれていく。

図４は吸気弁閉時期である２８０degＡＴＤＣでの燃焼室内の様子を示す。混合気は気流１８，１９によって吸気弁まで運ばれるが、吸気弁が閉じるために出口が無くなり、気流１８は点火プラグから排気側に、気流１９は点火プラグから吸気側に向かう流れとなり燃焼室内に二つの渦が生成される。

図５は圧縮行程後期の３３０degＡＴＤＣにおける燃焼室内の様子を示す。吸気弁が閉じて流動を生成する要因がなくなったため気流１８，１９は減衰し、混合気は点火プラグ周りで停滞する。圧縮が進むことで空気流動は更に減衰し、混合気は点火プラグに留まる。そのため、点火時期を１６degＡＴＤＣと遅らせても混合気が常に点火プラグ周りに存在するため着火が可能となる。

以上のように、ピストン下死点近傍で燃料を噴射することでピストンへの燃料付着を最小としつつ、吸気弁の閉じる時期を遅くすることで上昇流を生成し、この上昇流で混合気を点火プラグまで運ぶことで点火リタード時においてもプラグ周りに混合気を維持することが可能となりピストン付着低減と触媒早期活性化の両立が可能となる。また、ピストン下死点で混合気を排気側に配置することで混合気が上昇した際に点火プラグに混合気が到達しやすくなっている。

第２の実施例を図６〜図１０を用いて説明する。第１の実施例との違いは、ピストン冠面の排気側に窪みを設けた点である。この窪みの吸気側の縁が点火プラグ下に位置する形状となっている。

空気流動にはサイクル変動が生じ、気流や混合気の上昇位置がサイクル毎に変化することで点火プラグ周りの混合気の濃度がサイクル毎に大きく変化する懸念があるため、排気側に窪みを設けることで気流と混合気の上昇位置を規定し、サイクル変動を抑制することが狙いである。構成，条件は実施例１と同じであるため記述を省略する。

第２の実施例における動作について説明する。図６は燃料噴射直後である１７３degＡＴＤＣにおける燃焼室内の様子を示す。第１の実施例である図１の相違点として、排気側の気流１８がピストンに到達した場合に、窪みの縁で気流の方向が上向きに変えられる点である。

図７はピストン下死点における燃焼室内の様子を示す。

図８は圧縮行程前期の２１０degＡＴＤＣにおける燃焼室内の様子を示す。窪みの縁で気流１８が上昇しており、混合気もその上昇流によって吸気弁に向かっている。

図９は吸気弁閉時期である２８０degＡＴＤＣでの燃焼室内の様子を示す。

図１０は圧縮行程後期の３３０degＡＴＤＣにおける燃焼室内の様子を示す。

第２の実施例のようにピストン冠面に窪みを設けることで気流と混合気の上昇位置を規定し、サイクル変動を抑えることができる。また、窪みの吸気側の縁を点火プラグ下に配置することで混合気を点火プラグに運ぶことができる。

第３の実施例を図１１〜図１６を用いて説明する。第３の実施例の構成は第２の実施例と同じであるが、１サイクル中の噴射回数が異なっている。第２の実施例ではピストン下死点近傍で燃料を１回噴射していたが、空燃比１６で１回噴射し、すべての燃料を点火プラグ周りに成層化させると混合気が過剰に集中し、ＰＭの増加要因となる恐れがある。その場合、燃料を２回に分けて噴射し、点火プラグに成層化させる燃料量を適正化する必要がある。第３の実施例では吸気行程の中間で５０％の燃料を噴射し、ピストン下死点近傍で残りの５０％を噴射する２回噴射を用いた。吸気弁の開口期間と噴射時期の関係を図２２に示す。

１回目の燃料噴射時期をピストン下死点よりも早くしている理由は、１回目に噴射した燃料によって燃焼室内に均質な混合気を形成するためである。１回目の燃料噴射時期を８０degＡＴＤＣ、２回目の燃料噴射時期を１６０degＡＴＤＣとしており、吸気弁の動作は実施例２と同じである。

図１１は１回目の燃料噴射直後である８６degＡＴＤＣピストン下死点における燃焼室内の様子を示す。

吸気弁開口時期が６０degＡＴＤＣであり、ピストン上死点から６０degＡＴＤＣの間に燃焼室内は負圧が大きくなるため、６０degＡＴＤＣで吸気管が開いた直後に吸気管から燃焼室に流入する強い空気流動が生成される。そのため１回目の燃料噴射直後において燃焼室内には流速の大きな気流１８，１９が生成されており、図１２に示す９０degＡＴＤＣにおいて気化した燃料が燃焼室内に攪拌され、燃焼室全域に拡がっていく。

図１３は２回目の燃料噴射直後である１６６degＡＴＤＣを、図１４は２１０degＡＴＤＣを、図１５は２８０degＡＴＤＣを、図１６は３３０degＡＴＤＣの燃焼室内の様子をそれぞれ示す。燃焼室内には１回目に噴射された燃料が分布しているが、それ以外は実施例２と同様であり記述を省略する。

第３の実施例では第２の実施例に対し噴射回数を２回に分割することで点火プラグ周りの過剰な混合気集中を抑制して高濃度混合気から発生するＰＭを低減しつつ、ピストン付着低減と触媒早期活性化の両立が可能となる。

３ ピストン
４ 点火プラグ
１０ 燃料噴射弁
１８，１９ 気流

Claims (4)

1. 燃料を燃焼室内に直接噴射可能な位置に設けられた燃料噴射弁と、
   吸気弁の開閉時期を変更可能な可変動弁機構と、
   を備えた筒内噴射エンジンを制御する筒内噴射エンジンの制御装置において、
   前記筒内噴射エンジンの冷機始動時に、
   燃料噴射時期を吸気行程開始時の上死点後１６０〜１９０°のピストン下死点近傍に設定し、
   前記吸気弁の閉時期を圧縮行程中期に設定し、
   燃料の点火時期を圧縮行程終了時のピストン上死点より後に設定することを特徴とする筒内噴射エンジンの制御装置。
2. 前記請求項１において、燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の重心線と、ピストン下死点でのピストン面の交点が点火プラグ中心線よりも排気側に位置することを特徴とする筒内噴射エンジンの制御装置。
3. 前記請求項１において、ピストン冠面の排気側に窪みを設け、その窪みの吸気側の縁が点火プラグ下に位置することを特徴とする筒内噴射エンジンの制御装置。
4. 前記請求項１において、燃料噴射回数を複数回に分割し、１回目の燃料噴射時期が吸気弁開口以降に設定することを特徴とする筒内噴射エンジンの制御装置。

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