JP3514083B2 - 筒内直接噴射式火花点火エンジン - Google Patents
筒内直接噴射式火花点火エンジンInfo
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Description
花点火エンジン、特に筒内のスワールを可変制御するも
のに関する。
整可能な手段を備える一方で、ピストン頂部に凹部を形
成するとともにこの凹部の周縁部と対向するシリンダヘ
ッド位置に点火プラグを、また噴射燃料がこの点火プラ
グに直接かからないように燃焼室に臨んで燃料インジェ
クタをそれぞれ配置した筒内直接噴射式火花点火エンジ
ンにおいて、エンジンの低負荷時には上記のスワール強
さ調整手段によってスワールを強めるとともに燃料イン
ジェクタから圧縮行程の後半で燃料を噴射することで、
点火プラグ回りにのみ可燃混合気を集めて燃焼(成層燃
焼)させ、これに対して高負荷時になると、スワールを
弱めるとともに吸気行程で燃料を噴射することにより燃
料と空気を予混合して燃焼室全域に均質的な混合気層を
形成させるようにしたものがある(特開平2−1259
11号参照)。
においてスワール強さを切換えるとこれに伴って燃焼状
態が変化し、運転性に影響するので、燃焼状態が切換わ
るときの切換ショックをなくすためにはスワール強さを
徐々に変化させなけれならない。
じてスワール強さを変化させるのでは、たとえば成層燃
焼域で急激な加減速を繰り返す場合に負荷は大きくステ
ップ的に大小変化するので、スワール強さの変化(燃焼
状態の変化)が急激となり、運転性が悪化してしまう。
かといって、成層燃焼域での急激な加減速時にスワール
強さだけを徐々に変化させたのでは、負荷の大小とスワ
ール強さの強弱とがマッチングしない事態が起こりう
る。
に分割するだけでなく、さらに均質燃焼域をリーン空燃
比域と理論空燃比域(あるいは出力空燃比域)に分割す
るものでは3つの異なる燃焼形態を持ち、成層燃焼域か
ら均質燃焼域のうちのリーン空燃比域へ、さらにこのリ
ーン空燃比域から理論空燃比域へと運転条件が変化する
とき、成層燃焼域では徐々にスワールを弱め、均質リー
ンになると直ちにスワールを強め、理論空燃比域になる
とスワールを再び弱める必要があり、燃焼形態の切換の
たびにスワール強さが大きく変化する。したがって、負
荷の変化で成層燃焼域から均質燃焼域かつリーン空燃比
域へと移行し、さらにこのリーン空燃比域から理論空燃
比域へと移行する場合にも、負荷に応じてスワール強さ
を切換えたのではスワール強さの変化が急激となり、運
転性が悪化する。
いエンジン回転数に応じてスワール強さを可変制御する
ことにより、急激な加減速を行っても燃焼状態が急激に
変化することがないようにすることを目的とする。
に示すように、スワール強さを調整可能な手段41を備
える筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、成層燃
焼域であるかどうかを判定する手段42と、この判定結
果より成層燃焼域であるときに、エンジン負荷の変化に
対し前記スワール強さ調整手段の状態を固定するととも
に、エンジン回転数の変化に応じて前記スワール強さ調
整手段を用いスワール強さを変化させる手段43とを設
けた。
成層燃焼域より高回転側に均質燃焼域かつリーン空燃比
域をもち、回転数の上昇により前記成層燃焼域からこの
均質燃焼域かつリーン空燃比域へと移行したときスワー
ル強さを大きくする。
均質燃焼域かつリーン空燃比域より高回転側に均質燃焼
域かつ理論空燃比域をもち、回転数の上昇により前記均
質燃焼域かつリーン空燃比域からこの均質燃焼域かつ理
論空燃比域へと移行したときスワール強さを小さくする
かまたはスワールをなくす。
均質燃焼域かつリーン空燃比域より高回転側に均質燃焼
域かつ出力空燃比域をもち、回転数の上昇により前記均
質燃焼域かつリーン空燃比域からこの均質燃焼域かつ出
力空燃比域へと移行したときスワール強さを小さくする
かまたはスワールをなくす。
成層燃焼域より高回転側に均質燃焼域かつリーン空燃比
域と均質燃焼域かつ理論空燃比域とをこの順にもち、回
転数の上昇により前記成層燃焼域から前記均質燃焼域か
つリーン空燃比域へと移行したときスワール強さを大き
くするとともに、回転数の上昇により前記均質燃焼域か
つリーン空燃比域から前記均質燃焼域かつ理論空燃比域
へと移行したときスワール強さを小さくするかまたはス
ワールをなくす。
成層燃焼域より高回転側に均質燃焼域かつリーン空燃比
域と均質燃焼域かつ出力空燃比域とをこの順にもち、回
転数の上昇により前記成層燃焼域から前記均質燃焼域か
つリーン空燃比域へと移行したときスワール強さを大き
くするとともに、回転数の上昇により前記均質燃焼域か
つリーン空燃比域から前記均質燃焼域かつ出力空燃比域
へと移行したときスワール強さを小さくするかまたはス
ワールをなくす。
れか一つの発明において前記成層燃焼域での低回転時に
スワール強さを大きくし、回転数が上昇するにつれてス
ワール強さを小さくする。
れか一つの発明において前記成層燃焼域での低回転時と
それ以外の回転時とでスワール強さをステップ的に切換
える。
急激な変化の起こりうる負荷に応じてスワール強さを変
化させるのでなく、急激な変化の少ない回転数に応じて
スワール強さを変化させるようにしたので、成層燃焼域
で急激な加減速を行っても、燃焼状態が急激に変化する
ことがなく、運転性への影響を小さなものとすることが
できる。
り成層燃焼域から均質燃焼域かつ燃焼が遅いリーン空燃
比域へと移行したときスワール強さが大きくされ、さら
に回転数が上昇してリーン空燃比域から燃焼が早くなる
理論空燃比域や出力空燃比域へと移行したときスワール
強さが小さくされるまたはスワールがなくされる。この
ように、第5と第6の各発明では、燃焼状態の異なる領
域間でのスワール強さを切換えをエンジン回転数により
行うので、回転数の変化に伴う燃焼状態の異なる領域間
での切換時にも、燃焼状態が急激に変化することがな
い。
回りに集めて燃焼させるものであるが、低回転時は、ス
ワールが弱いため混合気が点火プラグに到達するまでに
時間がかかり、安定した燃焼が得られない。よって、低
回転時は噴射燃料を空気と混合しつつ、その混合気を点
火プラグの回りに速やかに輸送するためスワールを強く
しなければならない。また、スワールは回転数の上昇と
ともに強くなるため中回転側にも低回転時と同じスワー
ル強さを与えたのでは、スワールが強くて燃料と空気が
過剰に混合し、点火プラグ付近の空燃比が薄くなりすぎ
てしまい、やはり安定した燃焼が得られない。よって、
中回転側にかけてはスワールを弱くする必要がある。た
だし、燃焼安定性とスワール強さ(スワール比)の関係
においては、エンジン回転数により定まる最適なスワー
ル比が存在するので(図6、図7参照)、低回転時のス
ワール強さがむやみに大きくなったり、また中回転側で
のスワール強さがむやみに小さくなることはなく、成層
燃焼域での全回転数に対して所定の幅をもったスワール
強さの特性として得られる。
おいて、低回転時にスワール強さを大きくし、回転が上
昇するにつれてスワール強さを小さくするので、成層燃
焼域での燃焼を常に安定したものとすることができ、こ
れによって、成層燃焼域で急激な加減速を行っても、安
定した燃焼により運転性を良好に保つことができる。
強さを低回転時とそれ以外の回転時とでステップ的に切
換えるので、 スワール強さを調整可能な手段の駆動方
法が簡単になり、より安価なシステムを実現できる。
概略の断面図と平面図である。こうした構成そのものは
すでに提案されており(特願平8−312045号参
照)、この構成そのものに本発明の要部はないので、そ
のあらましを説明する。
ク、2はシリンダ、3はピストン、4はシリンダヘッ
ド、5はペントルーフ型の燃焼室である。
気ポート7、8と排気ポート(図示せず)は、インテー
クマニホールド(図示せず)の取付け位置が高くなるこ
とを抑えるため、シリンダ2の中心線Oに対して大きく
傾斜して開口され、その開口部に吸気バルブ9、10と
排気バルブ11、12が配設されている。
インジェクタ13とがともに燃焼室5に臨んで設けられ
る。このうち点火プラグ6はシリンダ2の中心線Oと同
軸上よりも若干シフトして位置するのに対して、インジ
ェクタ13は図1において吸気バルブ9、10の側方で
かつ図2において一対の吸気バルブ9、10の間に位置
している。
前記ペントルーフ型の燃焼室天井に対向してルーフ状の
傾斜面15、16が、また皿状に窪むキャビティ17が
シリンダ2の中心線Oに対してインジェクタ13側に偏
心して形成される。詳しくは、シリンダ2の中心線Oと
直交する平面のキャビティ底面18と、キャビティ底面
18の外周から逆円錐面状に拡がるキャビティ側壁19
によってキャビティ17が画成され、キャビティ側壁1
9はそのシリンダ2の中心線Oに対する所定の傾斜角を
もって形成される。キャビティ17はまた、シリンダ2
の中心線Oよりも排気バルブ11、12側に位置するル
ーフ稜線14の中央部を削除するように形成されること
で、成層燃焼域ではインジェクタ13からの燃料噴霧を
点火プラグ6の近傍に集めるようになっている。
状は、燃焼室5および排気ポートとともに、シリンダ中
心面Cについて対称的に、かつ一方の吸気ポート7のほ
うが他方の吸気ポート8よりもシリンダ中心面Cに対し
て角度を持って形成され、各吸気ポート7、8に均等に
分流してシリンダ2内に流入する吸気流により、燃焼室
天井壁の排気ポート側傾斜面5aとこれに連接するシリ
ンダ2の壁面に沿って下降して旋回するタンブルがシリ
ンダ2内に生起される。
方向がキャビティ17に対向し、かつ円錐状に拡がる燃
料噴霧Fが点火プラグ6に直接当たらないように、図1
において下向きに傾斜させて設けられ、成層燃焼域でピ
ストン3が上昇する圧縮行程の後半でこのインジェクタ
13が開いて燃料が噴射されたとき、その燃料噴霧の大
部分がキャビティ17内に納まるようにインジェクタ1
3の噴霧頂角が所定の範囲となるようにされている。ま
た、均質燃焼域ではピストン3が下降する吸気行程で燃
料噴射が行われる。
状態により異なる燃料噴射時期のほか、各燃焼状態に対
応して点火時期と燃料噴射量を制御するため、図3に示
したようにコントロールユニット31を備える。エアフ
ローメータ32からの吸入空気量信号、水温センサ33
からの水温信号、クランク角センサ34からの回転数信
号が入力されるコントロールユニット31では、これら
の信号に基づいてどのような燃焼を行う運転域であるの
かを判定し、それぞれの燃焼状態に応じた燃料噴射量お
よび点火時期を演算してインジェクタ6と点火プラグに
制御信号を出力する。
に示すと、まず成層燃焼域は低回転より中回転までの回
転域(かつ低負荷より中負荷までの負荷域)である。こ
れは、高回転域になると多量の吸入空気量によってシリ
ンダ内における空気の乱れが大きくなるので、高回転域
でも圧縮行程で燃料を噴射したのでは、可燃混合気を点
火プラグの回りに集めることができず、かえって燃焼が
悪化させてしまうからである。つまり、高回転域は吸気
行程で燃料噴射を行う均質燃焼のほうが適しているの
で、成層燃焼域は低中回転域に限られるのである。
した燃料をシリンダ内で空気と均一に混合したあとで燃
焼させるものであるが、この均質燃焼域は空燃比が20
〜25といったリーンな空燃比域と理論空燃比域とに分
けられている(前者ではエンジンの出力より燃費を優先
させ、後者では燃費より出力を優先する)。なお、正確
には、理論空燃比域で示す領域のうち最大回転数の付近
に出力空燃比域があり、この出力空燃比域では理論空燃
比よりもさらにリッチ側の空燃比で運転される。
a上流の分岐吸気通路21には、バタフライ状のスワー
ルコントロールバルブ23を備える。このバルブ23は
ステップモータからなるアクチュエータ24(図3参
照)により駆動されるもので、分岐吸気通路21の流路
面積を絞るほど他方の分岐吸気通路22からシリンダ2
に流入する吸気量の割合が増え、シリンダ2内にスワー
ルが生起される。このため、シリンダ2に生起される旋
回流は、シリンダ5の中心線Oを中心に旋回するこのス
ワール成分と、シリンダ5の中心線Oと直交する軸を中
心に旋回する上記のタンブル成分とを有し、特に成層燃
焼域においてはスワール比を略3以上に、かつスワール
比をタンブル比の略1.5倍以上に設定することで、図
2においてキャビティ17内に白抜き矢印で示す反時計
回りの旋回流が生起される。ここで、スワール比とタン
ブル比はクランクシャフトが1回転する間における各旋
回流の回転数である。
を切換えるとこれに伴って燃焼状態が変化し、運転性に
大きく影響するので、燃焼状態が切換わるときの切換シ
ョックをなくすためにはスワール強さを徐々に変化させ
なけれならない。
じてスワール強さを変化させるのでは、たとえば成層燃
焼時に急激な加減速を繰り返す場合にスワール強さの変
化(燃焼状態の変化)が急激となり、運転性が悪化して
しまう。
に分割するだけでなく、さらに均質燃焼域をリーン空燃
比域と理論空燃比域(あるいは出力空燃比域)に分割す
るものでは3つの異なる燃焼形態を持ち、成層燃焼域か
ら均質燃焼域のうちのリーン空燃比域へ、さらにこのリ
ーン空燃比域から理論空燃比域へと運転条件が変化する
とき、成層燃焼域では徐々にスワールを弱め、均質リー
ンになると直ちにスワールを強め、理論空燃比域になる
とスワールを再び弱める必要があり、燃焼形態の切換の
たびにスワール強さが大きく変化する。したがって、負
荷の変化で成層燃焼域から均質燃焼域かつリーン空燃比
域へと移行し、さらにこのリーン空燃比域から理論空燃
比域へと移行する場合にも、負荷に応じてスワール強さ
を切換えたのではスワール強さの変化が急激となり、運
転性が悪化する。
では、急激な変化の比較的少ないエンジン回転数に応じ
てスワール強さを可変制御する。詳細には成層燃焼域に
おいて図5に示したように低回転時にスワールを強め、
回転数が上昇するのにつれてスワールを弱める方向にス
ワールコントロールバルブ開度を制御する。
均質燃焼域かつリーン空燃比域へと移行し、さらにこの
リーン空燃比域から理論空燃比域へと移行する場合に、
燃焼状態の異なる領域間でのスワール強さを切換えをエ
ンジン回転数により行う。
ールを強め、回転数の上昇にしたがってスワールを弱め
るようにした理由は次の通りである。
6の回りに集めて燃焼させるものであるが、低回転時
は、スワールが弱いため混合気が点火プラグ6に到達す
るまでに時間がかかり、安定した燃焼が得られない。よ
って、低回転時は噴射燃料を空気と混合しつつ、その混
合気を点火プラグ6の回りに速やかに輸送するためスワ
ールを強くしなければならない。また、スワールは回転
数の上昇とともに大きくなるため中回転時にも低回転時
と同じスワール強さを与えたのでは、スワールが強くて
燃料と空気が過剰に混合し、点火プラグ6付近の空燃比
が薄くなりすぎてしまい、やはり安定した燃焼が得られ
ない。よって、中回転時にはスワールを弱くする必要が
ある。ただし、燃焼安定性とスワール強さ(スワール
比)の関係においては、エンジン回転数により定まる最
適なスワール比が存在するので(図6、図7参照)、低
回転時のスワール比がむやみに大きくなったり、また中
回転時のスワール比がむやみに小さくなることはなく、
図5に示したように成層燃焼域での全回転数に対して所
定の幅をもったスワール比の特性として得られるのであ
る。
ルバルブ開度との間には図8に示す関係があるので、こ
れを用いて図5の特性を回転数とスワールコントロール
バルブ開度の関係に直すと、図9の特性が得られる。
域になると、エンジン回転数から図9を内容とするテー
ブルを検索してスワールコントロールバルブ開度(目標
開度)を求め、スワールコントロールバルブ23がこの
開度となるようにアクチュエータ24を駆動する。
において回転数の上昇により成層燃焼域から均質燃焼域
のうちのリーン空燃比域へと移行するとき、スワールコ
ントロールバルブ23を最小の開度(ほぼ全閉状態)に
してスワールを強め、さらに回転数が上昇して理論空燃
比域(および出力空燃比域)に移行するときスワールを
なくすためスワールコントロールバルブ23を全開状態
にする。
る。
沿うときのスワールコントロールバルブ開度は、図10
に示すようになる。つまり、成層燃焼域において低回転
時に小さく、回転数の上昇とともに大きくなる。
とき回転数は変化しない。したがって、このときのスワ
ールコントロールバルブ開度は図11のように成層燃焼
域でほぼ全閉状態に固定される。同じく成層燃焼域にお
いて回転数が一定のときの変化でも、図4において線b
2に沿うときは、図12のように所定のバルブ開度に固
定される。
域において、急激な変化の起こりうる負荷に応じてスワ
ールコントロールバルブ開度を変化させるのでなく、急
激な変化の少ない回転数に応じてスワールコントロール
バルブ開度を制御するようにしたので、成層燃焼域で急
激な加減速を繰り返しても燃焼状態が急激に変化するこ
とがなく、運転性への影響を小さなものとすることがで
きる。
ワール強さを大きくし、回転が上昇するにつれてスワー
ル強さを小さくするので、成層燃焼域での燃焼を常に安
定したものとすることができ、これによって、成層燃焼
域で急激な加減速を行っても、安定した燃焼により運転
性を良好に保つことができる。
域のうちのリーン空燃比域へと移行し、さらにこのリー
ン空燃比域から理論空燃比域(あるいは出力空燃比域)
へと移行するとき、スワールコントロールバルブ開度は
均質燃焼域のうちリーン空燃比域で全閉状態、理論空燃
比域(あるいは出力空燃比域)で全開状態へとそれぞれ
切換わる(図10参照)。
の異なる領域間を移行する場合に燃焼状態の大きく異な
る領域間でのスワール強さの切換をエンジン回転数によ
り行うので、回転数の変化に伴う燃焼状態の異なる領域
間での切換時にも、燃焼状態が急激に変化することがな
い。
で、それぞれ第1実施形態の図5、図9、図10に対応
する。
強さを低回転時とそれ以外とで2段階にしたものであ
る。この結果、アクチュエータ24の駆動方法が簡単に
なり、精密なステップモータでなくとも制御が可能とな
るので、より安価なシステムを実現できる。
性図である。
燃焼安定性の特性図である。
燃焼安定性の特性図である。
ール比の特性図である。
ロールバルブ開度の特性図である。
ールバルブ開度の特性図である。
ブ開度の特性図である。
ブ開度の特性図である。
るスワール比の特性図である。
るスワールコントロールバルブ開度の特性図である。
ワールコントロールバルブ開度の特性図である。
Claims (8)
- 【請求項1】スワール強さを調整可能な手段を備える筒
内直接項射式火花点火エンジンにおいて、 成層燃焼域であるかどうかを判定する手段と、 この判定結果より成層燃焼域であるときに、エンジン負
荷の変化に対し前記スワール強さ調整手段の状態を固定
するとともに、エンジン回転数の変化に応じて前記スワ
ール強さ調整手段を用いスワール強さを変化させる手段
とを設けたことを特徴とする筒内直接噴射式火花点火エ
ンジン。 - 【請求項2】前記成層燃焼域より高回転側に均質燃焼域
かつリーン空燃比域をもち、回転数の上昇により前記成
層燃焼域からこの均質燃焼域かつリーン空燃比域へと移
行したときスワール強さを大きくすることを特徴とする
請求項1に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジン。 - 【請求項3】前記均質燃焼域かつリーン空燃比域より高
回転側に均質燃焼域かつ理論空燃比域をもち、回転数の
上昇により前記均質燃焼域かつリーン空燃比域からこの
均質燃焼域かつ理論空燃比域へと移行したときスワール
強さを小さくするかまたはスワールをなくすことを特徴
とする請求項2に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジ
ン。 - 【請求項4】前記均質燃焼域かつリーン空燃比域より高
回転側に均質燃焼域かつ出力空燃比域をもち、回転数の
上昇により前記均質燃焼域かつリーン空燃比域からこの
均質燃焼域かつ出力空燃比域へと移行したときスワール
強さを小さくするかまたはスワールをなくすことを特徴
とする請求項2に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジ
ン。 - 【請求項5】前記成層燃焼域より高回転側に均質燃焼域
かつリーン空燃比域と均質燃焼域かつ理論空燃比域とを
この順にもち、回転数の上昇により前記成層燃焼域から
前記均質燃焼域かつリーン空燃比域へと移行したときス
ワール強さを大きくするとともに、回転数の上昇により
前記均質燃焼域かつリーン空燃比域から前記均質燃焼域
かつ理論空燃比域へと移行したときスワール強さを小さ
くするかまたはスワールをなくすことを特徴とする請求
項1に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジン。 - 【請求項6】前記成層燃焼域より高回転側に均質燃焼域
かつリーン空燃比域と均質燃焼域かつ出力空燃比域とを
この順にもち、回転数の上昇により前記成層燃焼域から
前記均質燃焼域かつリーン空燃比域へと移行したときス
ワール強さを大きくするとともに、回転数の上昇により
前記均質燃焼域かつリーン空燃比域から前記均質燃焼域
かつ出力空燃比域へと移行したときスワール強さを小さ
くするかまたはスワールをなくすことを特徴とする請求
項1に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジン。 - 【請求項7】前記成層燃焼域での低回転時にスワール強
さを大きくし、回転数が上昇するにつれてスワール強さ
を小さくすることを特徴とする請求項1から6までのい
ずれか一つに記載の筒内直接噴射式火花点火エンジン。 - 【請求項8】前記成層燃焼域での低回転時とそれ以外の
回転時とでスワール強さをステップ的に切換えることを
特徴とする請求項1から6までのいずれか一つに記載の
筒内直接噴射式火花点火エンジン。
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