JP2021050721A

JP2021050721A - 筒内直噴エンジンの制御装置

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Publication number: JP2021050721A
Application number: JP2019175816A
Authority: JP
Inventors: 翔太田村; Shota Tamura
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2019-09-26
Filing date: 2019-09-26
Publication date: 2021-04-01
Anticipated expiration: 2039-09-26
Also published as: JP7424732B2

Abstract

【課題】直噴式エンジンにおいて、内部ＥＧＲを利用して燃料の気化を促進するにおいて、充填効率を向上させつつ安定した燃焼を実現させる。【解決手段】排気行程の終期に、ピストン５が上死点に至る前に排気バルブ１０を閉じて吸気バルブ９を開く内部ＥＧＲ生成領域を設け、この内部ＥＧＲ生成領域にインジェクタ１１から燃料を噴射する。燃料は内部ＥＧＲガスによって瞬時に気化し、気化燃料を含んだ内部ＥＧＲガスは吸気ポート７に吹き返されて新気と混合する。吸気行程に至ると、内部ＥＧＲガスは気筒に吹き戻されて、タンブル流によって更に新気との混合性が向上する。燃料と内部ＥＧＲガスと新気との混合性を格段に向上できると共に、新気の昇温によって着火性も向上できる。【選択図】図３

Description

本願発明は、燃料をインジェクタによって気筒内に直接噴射してから点火プラグで着火する筒内直噴エンジンの制御装置に関するものである。

燃料を筒内に直接噴射するガソリンエンジン（直噴式エンジン）は、リーンバーンに対応できて燃費がよい利点や、燃料の気化熱を利用して筒内を冷却できる利点などがあり、実際に使用されている。しかし、直噴式エンジンは、新気と燃料との混合時間が短いため、燃料の気化が不完全になりやすい問題が残っている。特に、機関及び新気の温度が低い低温環境下での暖機運転時には気化が不完全になりやすいため、失火や排気ガスの成分悪化等の弊害が現れやすい。

そこで、特に暖機運転時における燃料の気化を促進する手段として、排気ガスの一部を気筒内に残して、排気ガスの熱を利用して燃料の気化を促進することが考えられている。その例として特許文献１には、排気行程において排気ガスが排出されきる前に排気バルブを早閉じすることによって気筒内に排気ガスを残しつつ、排気バルブが閉じてから吸気バルブが開くまでの間に燃料の全部又は大部分を噴射することにより、燃料の気化を促進してＰＭの発生を抑制することが開示されている。

特開２０１６−６６２２１号公報

特許文献１は、排気ガスの一部を内部ＥＧＲガスとして気筒内に残すものであり、燃料の気化促進の効果は高いと云えるが、燃料をいったん排気ガスに分散させてから、排気ガスと新気（空気）とを混合させるものであるため、新気と燃料との混合性が十分に担保されるか否かは不明であり、従って、燃焼の安定性という面で不安が残ると思われる。

さて、排気ガスの一部を内部ＥＧＲとして残すと充填効率は低下するが、特許文献１では、燃料の全部又は大部分を噴射し終えてから吸気バルブを開くものであるため、吸気バルブの開きタイミングは通常よりもかなり遅くならざるを得ず、すると、新気の吸気量も少なくならざるを得ない。従って、充填効率が益々低下して、出力の低下や失火が発生しやすくなると懸念される。

本願発明はこのような現状を契機に成されたものであり、排気ガスの一部を内部ＥＧＲとして気筒内に残して燃料の気化を促進する点は特許文献と軌を一にしつつ、充填効率低下等の問題が生じないようにすることを目的とするものである。

本願発明の直噴式エンジンは、
「開閉タイミングを制御できる吸気バルブ及び排気バルブと、気筒内に向けて燃料を噴射するインジェクタとを備えた筒内直噴エンジンの冷機条件において、
排気行程の終期に、前記排気バルブは閉じて吸気バルブが開いた内部ＥＧＲ生成領域を有しており、前記排気バルブが閉じた後に前記インジェクタによる燃料噴射が開始されるように制御される」
という構成（制御態様）になっている。

本願発明において、排気バルブの閉じタイミングと吸気バルブの開きタイミングとは必ずしも同じである必要はなく、ピストンが上死点に至る前の状態で、排気バルブは閉じて吸気バルブが開いていたらよい。

また、インジェクタによる燃料噴射は排気バルブが閉じきった後に開始される必要があるが、吸気バルブの開き開始と同時に噴射を開始してもよいし、吸気バルブが開き始めた後に噴射を開始してもよい。また、内部ＥＧＲ生成領域において燃料の全部又は大部分を噴射しきってもよいし、内部ＥＧＲ生成領域と吸気行程とに跨がって燃料を噴射してもよい。

本願発明では、排気行程の終期の内部ＥＧＲ生成領域に排気ガスが内部ＥＧＲガスとして気筒内に残り、この内部ＥＧＲガスに燃料が噴射されることにより、燃料の気化が大幅に促進される。そして、本願発明では、排気行程の終期に吸気バルブが開くが、気筒内は正圧になっているため、吸気バルブの開きにより、気化した燃料と混合した内部ＥＧＲガスが吸気ポートに吹き返されて、吸気ポートの内部において、新気と内部ＥＧＲガスと気化燃料とが混合する。

そして、新気の一部と内部ＥＧＲガスと燃料との混合体は、ピストンが上死点を越えて吸気行程に至ると、吸気ポートから気筒に吹き戻されて、気筒内で新たな新気と混合していく。従って、燃料と新気との混合性を格段に向上させて、燃料がリーン気味であっても安定した燃焼を実現できる。また、排気行程の終期に吸気バルブを開くものであるため、新気の供給量を増大させて充填効率を向上できる。

更に、吸気行程では、燃料と内部ＥＧＲガスと新気との混合体が、新たな新気に乗ってタンブル流を生成しながら気筒内に流入するため、燃料及び内部ＥＧＲガスと新気との混合性は更に向上する。

結局、本願発明では、燃料の気化（霧化）を内部ＥＧＲガスによって促進できること、吸気量を増大させて充填効率を向上できること、吸気ポートへの吹き返しを利用して新気と内部ＥＧＲガスと燃料との混合性を向上できること、及び、タンブル流を利用して更に燃料及び内部ＥＧＲガスと新気との混合性を向上できることが相まって、燃料がリーン気味であっても、安定した状態で完全燃焼を実現できる。従って、高い信頼性を維持しつつ、排気ガスの成分悪化を防止できる。

実施形態を示す図で、（Ａ）は一部の方向を変えて見た要部の縦断面図であり（Ｂ）のＡ−Ａ視断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視底面図である。（Ａ）は排気行程において内部ＥＧＲ生成領域に移行する前の状態での縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）の位置でのバルブ及びインジェクタの状態を示す図である。（Ａ）は排気行程における内部ＥＧＲ生成領域での縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）の位置でのバルブ及びインジェクタの状態を示す図である。（Ａ）は内部ＥＧＲ生成領域を経過して吸気行程に移行した後の状態の縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）の位置でのバルブ及びインジェクタの状態を示す図である。

(1).構造の説明
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。エンジンは４サイクル多気筒の直噴式であり、従来と同様に、機関本体は、クランク軸線方向に複数の気筒２が並んで形成されたシリンダブロック１と、シリンダブロック１の頂面にガスケット３を介して固定されたシリンダヘッド４とを備えている。当然ながら、気筒２にはピストン５が摺動自在に嵌まっている。ピストン５の頂面には、燃焼室を構成する凹所６が形成されている。

シリンダヘッド４には、気筒２に向けて開口した一対ずつの吸気ポート７及び排気ポート８が形成されており、吸気ポート７は吸気バルブ９で開閉されて、排気ポート８は排気バルブ１０で開閉される。シリンダヘッド４の下面のうち気筒２の中心に位置した部位には、燃料を気筒２に向けて（ピストン５の凹所６に向けて）噴射するインジェクタ１１が配置されている。また、シリンダヘッド４の下面のうち気筒２の中心から外れた部位に、点火プラグ１２が配置されている。

吸気バルブ９及び排気バルブ１０は、それぞれ図示しないＶＶＴ装置（バルブタイミング可変装置）によって開閉タイミングを制御することができる。

図２〜４の各分図（Ｂ）で、吸気バルブ９と排気バルブ１０との開閉領域を表示している。吸気バルブ９は、ピストン５が上死点に至るよりも前の段階（すなわち排気行程の終期）に開き初めて、下死点を越えてから閉じるようになっている。従って、圧縮行程の初期段階でも吸気バルブ９は開いている。

他方、排気バルブ１０は、膨張行程の終期で開き始めて、排気行程においてピストン５が上死点に至るよりも少し前の段階で閉じるようになっている。従って、排気ガス一部が気筒２の内部に残る内部ＥＧＲ生成領域が存在している。

なお、図２〜４の各分図（Ｂ）では、排気バルブ１０と吸気バルブ９とが共に開いている状態があるように見えるが、これは、吸気行程と圧縮行程、膨張行程は排気行程を一緒に表示したためであり、実際には、吸気バルブ９と排気バルブ１０とが共に開いているオーバーラップ領域は存在しない。

(2).制御態様
図２では、排気行程の終期で排気バルブ１０が開いている状態を示しており、吸気バルブ９は閉じている。他方、図３では、排気行程において、排気バルブ１０が閉じて吸気バルブ９が開いた状態を示しており、ピストン５が上死点に至る前に排気バルブ１０が閉じるため、排気ガスの一部が内部ＥＧＲガスとして気筒２の内部に残っている。

そして、機関温度が低い冷機条件での暖機運転時には、図３に示すように、排気バルブ１０が閉じるのと同時に、吸気バルブ９が開き始めてインジェクタ１１による燃料噴射が開始する。すると、内部ＥＧＲガスと燃料とが混合し、燃料は高温の内部ＥＧＲガスによって瞬時に気化する。そして、この状態では気筒２の内部は加圧されているため、気化燃料が混ざった内部ＥＧＲガスは吸気ポート７に吹き返されて、吸気ポート７の内部で、新気の一部と内部ＥＧＲガスと燃料との三者が混ざり合った混合体が生成される。

ピストン５が上死点を越えて吸気行程に至ると、図４に示すように、吸気ポート７で生成された混合体は、新たに送られた新気と混合しつつ気筒２に吹き戻されるが、気筒２ではタンブル流１３が生成されるため、新気と内部ＥＧＲガスと燃料との混合性は更に向上する。

つまり、燃料及び内部ＥＧＲガスは、吸気ポート７での混合と、気筒２でのタンブル流を利用した混合との２段階で新気と混合されるため、気化燃料と内部ＥＧＲガスと新気との三者の混合性を格段に向上できる。その結果、燃料がリーン気味の暖機運転であっても、安定した燃焼を実現できる。これにより、高い信頼性を維持しつつ、出力の維持と排気ガスの成分悪化とを防止できる。

混合性について更に述べると、気化した内部ＥＧＲガスが吸気ポート７に吹き返される過程で内部ＥＧＲガスに流れが発生するため、内部ＥＧＲガスと気化燃料との混合性は更に向上する（吸気バルブ９への接触や吸気ポート７の開口縁への接触によって流れが大きく乱れるため、燃料と内部ＥＧＲガスとの混合性は更に向上する。）。この面でも、燃料と内部ＥＧＲガスと新気との混合性を向上できる。

そして、排気行程において吸気バルブ９を開くものであるため、吸気量を増大させて充填効率を向上できる。更に、新気が吸気ポート７においても内部ＥＧＲガスによって加温されるため、燃料の着火性も格段に向上する。また、内部ＥＧＲガスによって吸気ポート７の内面が加温されることによる新気の早期昇温効果もあり、この点も着火性の向上に貢献している。

インジェクタ１１による燃料の噴射制御としては、内部ＥＧＲ生成領域において燃料の全体を噴射してもよいし、図３（Ｂ）に一点鎖線で示すように、燃料噴射を吸気行程に跨がらせてもよい。

なお、排気行程の終期に吸気バルブと排気バルブ１０とが同時に開くことは一般的に行われているが、この態様と本実施形態の制御とを組み合わせることも可能である。この場合は、インジェクタ１１による燃料噴射は、排気バルブ１０が閉じてから行うことになる。

バルブ可変リフト装置を備えている場合は、バルブのリフト量と開閉タイミングとを合わせて制御することも可能である。例えば、内部ＥＧＲ生成領域では吸気バルブ９のリフト量を少なくする制御が可能であり、この場合は、ピストン５の凹所６の深さをできるだけ小さくして圧縮比を高めつつ、内部ＥＧＲ生成領域での吸気バルブ９とピストン５との衝突を防止できる。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、排気行程の終期に、排気バルブが閉じるよりも前に吸気バルブを開くオーバーラップ領域を僅かながら設け、ピストンが上死点に至るよりも前に排気バルブを閉じることによって内部ＥＧＲガスを形成し、排気バルブが閉じてからインジェクタによる燃料噴射を実行するといったことも可能である。

本願発明は、実際に直噴式エンジンに具体化できる。従って、産業上利用できる。

１シリンダブロック
２気筒
４シリンダヘッド
５ピストン
７吸気ポート
８排気ポート
９吸気バルブ
１０排気バルブ

Claims

開閉タイミングを制御できる吸気バルブ及び排気バルブと、気筒内に向けて燃料を噴射するインジェクタとを備えた筒内直噴エンジンの冷機条件において、
排気行程の終期に、前記排気バルブは閉じて吸気バルブが開いた内部ＥＧＲ生成領域を有しており、前記排気バルブが閉じた後に前記インジェクタによる燃料噴射が開始されるように制御されることを特徴とした、
筒内直噴エンジンの制御装置。