JP2010048109A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気通路内に燃料を噴射する燃料噴射手段で燃料を噴射する場合のＰＭ粒子数を低減することが可能な内燃機関を提供することを目的とする。
【解決手段】内燃機関１において、そのＰＦＩインジェクタ２１の燃料噴射方向を、吸気ポート１５の上面と略平行な方向とし、かつ、吸気弁１７の中心を通り吸気ポート１５の上面および下面方向に２分割した場合の上面側の領域に、燃料の略半分以上が噴射されるようにすることにより、ＰＭ粒子数を低減する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関に関し、特に、吸気通路内に向けて燃料を噴射する吸気通路噴射用インジェクタを備えた内燃機関に関する。

機関吸気通路内に燃料を噴射するための吸気通路噴射用インジェクタと、機関燃焼室内に燃料を噴射するための筒内噴射用インジェクタとを具備した内燃機関が公知である。かかる内燃機関では、通常、ＰＭ粒子数は、吸気通路噴射用インジェクタで噴射した場合の方が、筒内噴射用インジェクタで噴射する場合に比して、著しく低減可能であるが、吸気通路噴射用インジェクタの噴射量が増加してくると、吸気通路噴射用インジェクタの噴射に起因するＰＭ粒子数が著しく増加する場合がある。これは、吸気通路噴射用インジェクタの噴射量を制限する制御を行うことで改善されるが、ＰＦＩ（Port Fuel Injection）の噴射方法が適切でない場合、上記制御を行っても改善されないか、または、吸気通路噴射用インジェクタの噴射量が少ない領域から吸気通路噴射用インジェクタの噴射に起因するＰＭ粒子数が悪化する場合があるという問題がある。

また、特許文献１では、暖気後の燃料の気化を促進することを目的として、吸気弁中心若しくは下方に向けて燃料を噴射しているが、付着した燃料と気流方向との接触角が大きく流速も遅いため、大粒径粒子が生成され、冷間時にＰＭ粒子数が増加するという問題がある。

特開２００５−９０２５８号公報

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、吸気通路内に燃料を噴射する燃料噴射手段で燃料を噴射する場合のＰＭ粒子数を低減することが可能な内燃機関を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、吸気通路内に燃料を噴射する燃料噴射手段を備えた内燃機関において、前記燃料噴射手段からの燃料の噴射方向を、吸気通路上面と略平行な方向とし、かつ、前記吸気通路をその上面および下面方向に２分割した場合の上面方向の領域に、燃料の略半分以上を噴射することを特徴とする。

本発明に係る内燃機関によれば、吸気通路内に燃料を噴射する燃料噴射手段を備えた内燃機関において、前記燃料噴射手段からの燃料の噴射方向を、吸気通路上面と略平行な方向とし、かつ、前記吸気通路の上面および下面方向に２分割した場合の上面方向の領域に、燃料の略半分以上を噴射することとしたので、吸気通路内に燃料を噴射する燃料噴射手段で燃料を噴射する場合のＰＭ粒子数を低減することが可能な内燃機関を提供することが可能になるという効果を奏する。

以下に、本発明に係る内燃機関の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るエンジンの模式図、図２は、図１のＰＦＩインジェクタの吸気ポートに対する噴射角度を説明するための模式図、図３はＰＦＩインジェクタの燃料の噴射領域を説明するための模式図である。

図１に示すエンジン１は、デュアルインジェクタ方式の内燃機関であり、当該エンジン１の気筒を構成するシリンダ１１内には図の上下方向に往復動するピストン１３が配設されており、ピストン１３は図示しないコンロッドを介して図示しないクランク軸に連結されている。ピストン１３の上方にはシリンダ１１及びシリンダヘッド１２にて区画された燃焼室１４が形成されており、燃焼室１４は、吸気弁１７及び排気弁１８を介して吸気ポート１５及び排気ポート１６に連通している。また、吸気ポート１５には、吸気ポート１５内に燃料を噴射するＰＦＩインジェクタ２１が設けられている。

ＰＦＩインジェクタ２１の噴射口は、図２に示すように、吸気ポート１５の上面と略平行な方向に設けられており、ＰＦＩインジェクタ２１は、吸気ポート１５の上面と略平行な方向にかつその上面に接するように燃料を噴射し、かつ、噴射した燃料の略半分以上が、図３に示す、吸気弁１７の中心を通り吸気ポート１５の上面および下面方向に２分割した場合の上面側の領域Ａ（吸気弁１７および吸気ポート１５の壁面）に噴射されるように構成されている。

排気弁１８側の排気ポート１６には、排気浄化触媒（図示せず）が設けられる。シリンダヘッド１２には、燃焼室１４に直接燃料を噴射するＤＩ（Direct Injection）インジェクタ（筒内燃料噴射弁）２０が装着されている。このＤＩインジェクタ２０は、吸気ポート１５側に位置して上下方向に所定角度傾斜して配置されている。このＤＩインジェクタ２０は、燃焼室１４に生成される吸気流動に燃料が乗るようにピストン１３の頂面に向かって燃料を噴射可能である。更に、シリンダヘッド１２には、燃焼室１４の上方に位置して混合気に着火する点火プラグ１９が装着されている。

ＤＩインジェクタ２０，ＰＦＩインジェクタ２１、及び点火プラグ１９の作動は、エンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）１０により制御され、このＥＣＵ１０には、図示しない各種センサ（クランク角センサ、アクセル開度センサ、エアフローメータ、水温センサ等）から、各種情報が入力されている。

つぎに、上記構成のエンジン１のＰＦＩインジェクタ２１から噴射される燃料の挙動を説明する。ＰＦＩインジェクタ２１は、吸気弁１７が閉じている間に、吸気ポート１５の上面と略平行な方向に当該上面に接するように燃料を噴射し、かつ、噴射した燃料の略半分以上が、吸気弁１７の中心を通り吸気ポート１５の上面および下面方向に２分割した場合の上面側の領域に噴射する。これにより、噴射された燃料は、吸気ポート１５の上面と吸気弁１７の上側に燃料が付着する。吸気行程では、吸気ポート１５の上流の流れが速く、かつ、吸気弁１７の上面や吸気ポート１５の上面に付着した燃料液膜２５ｂに対して浅い角度で吸入空気が流入するため、冷間時に燃焼室１４内に燃料液滴２５ａとして流入した場合でも微粒化が促進され、ＰＭ粒子数が低減される。また、吸気ポート１５の上面に接して噴射させることで、気流により燃料液膜２５ｂから離脱して燃料液滴２５ａになる際、選択的な作用が働き大粒径の噴霧は生成されず小粒径の噴霧が生成され、若しくは、燃料液膜２５ｂとして残留するため、ＰＭ粒子数が減少する。これに対して、従来技術では、暖気後の燃料の気化を促進することを目的として、通常、吸気弁中心若しくは下方（図３の領域Ｂ）に向けて、噴霧を噴射しているが、付着した燃料と気流方向との接触角が大きく流速も遅いため、大粒径粒子が生成され、冷間時にＰＭ粒子数が増加する。

以上説明したように、実施の形態１によれば、ＰＦＩインジェクタ２１の燃料噴射方向を、吸気ポート１５の上面と略平行な方向とし、かつ、吸気弁１７の中心を通り吸気ポート１５の上面および下面方向に２分割した場合の上面側の領域に、燃料の略半分以上が噴射されるようにしているので、ＰＭ粒子数を低減することが可能となる。

（実施の形態２）
図４〜図７を参照して、実施の形態２に係る内燃機関を説明する。図４は、本発明の実施の形態２に係るエンジンの模式図である。図４において、図１と同等機能を有する部位には、同一符号を付し共通する部分の説明は省略する。図４に示す実施の形態２に係るエンジン１は、ＰＦＩ２１の燃料噴射角度（方向）が変更可能に構成されており、ＰＦＩ２１の噴射角度を変更する噴射角度変更機構３０と、吸気ポート１５内の気流の方向を制御する気流制御弁４０と、吸気弁温度を検出する吸気弁温度検出手段５０とを備えている。

噴射角度変更機構３０は、ラック３０ａとピニオン３０ｂからなるラックピニオン機構で構成されている。ＥＣＵ１０は、ラック３０ａの位置を駆動制御してＰＦＩインジェクタ２１の燃料噴射角度を制御している。ラック３０ａの移動に伴ってピニオン３０ｂが従動回転し、ピニオン３０ｂに固定されているＰＦＩインジェクタ２１の燃料噴射角度を変更することができる。気流制御弁４０はＥＣＵ１０によって駆動制御され、その角度が変更される。吸気弁温度検出手段５０は吸気弁１７の吸気弁温度を検出して、ＥＣＵ１０に出力する。

図５は、ＥＣＵ１０により実行されるＰＭ粒子数低減制御を説明するためのフローチャートである。同図において、まず、ＥＣＵ１０は、吸気弁温度とＰＦＩ噴射量を算出する（ステップＳ１）。つぎに、ＥＣＵ１０は、吸気弁温度≦閾値Ｔｈ１であるか否かを判断する（ステップＳ２）。ＥＣＵ１０は、吸気弁温度≦閾値Ｔｈ１でない場合には（ステップＳ２の「Ｎｏ」）、リターンする一方、吸気弁温度≦閾値Ｔｈ１である場合には（ステップＳ２の「Ｙｅｓ」）、ＥＣＵ１０は、ＰＦＩ噴射量≧閾値Ｔｈ２であるか否かを判断する（ステップＳ３）。ＥＣＵ１０は、ＰＦＩ噴射量≧閾値Ｔｈ２でない場合には（ステップＳ３の「Ｎｏ」）、リターンする一方、ＥＣＵ１０は、ＰＦＩ噴射量≧閾値Ｔｈ２である場合には（ステップＳ３の「Ｙｅｓ」）、ＰＦＩインジェクタ２１の燃料噴射角制御を実行する（ステップＳ４）。

具体的には、燃料噴射角制御では、ＥＣＵ１０は、ＰＦＩ噴射量と吸気弁温度に基づいて、ＰＦＩ噴射量・吸気弁温度／噴射角マップを参照して、ＰＦＩインジェクタ２１の噴射角度を算出し、ＰＦＩインジェクタ２１の噴射角度が算出した燃料噴射角度になるように噴射角度変更機構４０を制御する。

図６は、ＰＦＩ噴射量・吸気弁温度／噴射角マップの一例を示す図である。同図に示すように、ＰＦＩ噴射量・吸気弁温度／噴射角マップは、ＰＦＩ噴射量および吸気弁温度を変数として、実験またはシミュレーションで算出した好適な噴射角度が０°〜ＭＡＸの間で段階的に登録されている。ここで、噴射角度＝０°はベース噴射角、噴射角度＝ＭＡＸは、噴霧の上端と吸気ポート１５の上面が略平行となる噴霧角である。ＰＦＩ噴射量が多いほど、また、吸気弁温度が低いほど噴射角度を大きく（上向き）設定する。

つぎに、ＥＣＵ１０は、気流制御弁４０の制御を実行する（ステップＳ５）。具体的には、ＥＣＵ１０は、ＰＦＩ噴射量と吸気弁温度に基づいて、ＰＦＩ噴射量・吸気弁温度／気流制御弁角度マップを参照して、気流制御弁４０の角度を算出し、気流制御弁４０の角度が算出した角度になるように制御する。

図７は、ＰＦＩ噴射量・吸気弁温度／気流制御弁角度マップの一例を示す図である。同図に示すように、ＰＦＩ噴射量・吸気弁温度／気流制御弁角度マップは、ＰＦＩ噴射量および吸気弁温度を変数として、実験またはシミュレーションで算出した好適な気流制御弁４０の角度が０°〜ＭＡＸの間で段階的に登録されている。ここで、気流制御弁４０の角度θ＝０°はベース気流制御弁角度であり、角度θが大きいほど吸気ポート１５の上側の気流が速くなる。ＰＦＩ噴射量が多いほど、また、吸気弁温度が低いほど気流制御弁４０の角度を大きく（吸気ポート１５の上側への流れを早くする側）設定する。

以上説明したように、実施の形態２によれば、ＥＣＵ１０は、ＰＦＩ噴射量と吸気弁温度とに基づいて、噴射角度変更機構３０を介して、ＰＦＩインジェクタ２１の噴射角度を変更することとしたので、暖機後の気化も促進させることが可能となる。

また、ＥＣＵ１０は、ＰＦＩ噴射量と吸気弁温度とに基づいて、気流制御弁４０の角度を変更することとしたので、燃料の微粒化効果を促進させることが可能となる。

以上のように、本発明に係る内燃機関は、吸気通路噴射用インジェクタを備えた内燃機関および吸気通路噴射用インジェクタと筒内噴射用インジェクタとを具備した内燃機関に有用である。

本発明の実施の形態１に係るエンジンの模式図である。 図１のＰＦＩインジェクタの吸気ポートに対する噴射角度を説明するための模式図である。 ＰＦＩインジェクタの燃料の噴射領域を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態２に係るエンジンの模式図である。 ＥＣＵにより実行されるＰＭ粒子数低減制御を説明するためのフローチャートである。 ＰＦＩ噴射量・吸気弁温度／噴射角マップの一例を示す図である。 ＰＦＩ噴射量・吸気弁温度／気流制御弁角度マップの一例を示す図である。

符号の説明

１ エンジン
１０ ＥＣＵ
１５ 吸気ポート
１７ 吸気弁
２０ ＤＩインジェクタ
２１ ＰＦＩインジェクタ
３０ 噴射角度変更機構
４０ 気流制御弁
５０ 吸気弁温度検出手段

Claims (4)

1. 吸気通路内に燃料を噴射する燃料噴射手段を備えた内燃機関において、
   前記燃料噴射手段からの燃料の噴射方向を、吸気通路上面と略平行な方向とし、かつ、前記吸気通路の上面および下面方向に２分割した場合の上面方向の領域に、燃料の略半分以上を噴射することを特徴とする内燃機関。
2. 吸気弁の温度を検出する吸気弁温度検出手段と、
   前記燃料噴射手段の燃料噴射量と前記吸気弁温度検出手段で検出した吸気弁の温度とに基づいて、前記燃料噴射手段の燃料噴射角度を変更する燃料噴射角度変更手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 吸気通路内の気流を制御する気流制御弁と、
   前記燃料噴射手段の燃料噴射量と前記吸気弁温度検出手段で検出した吸気弁の温度とに基づいて、前記気流制御弁の角度を変更する気流制御弁角度変更手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関。
4. 筒内に燃料を噴射する第２の燃料噴射手段を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関。

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