JP4029737B2

JP4029737B2 - 直噴火花点火式内燃機関

Info

Publication number: JP4029737B2
Application number: JP2003025914A
Authority: JP
Inventors: 勇堀田; 康治平谷; 賢明久保; 章彦角方
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-02-03
Filing date: 2003-02-03
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2023-02-03
Also published as: JP2004239076A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直噴火花点火式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火花点火燃焼に際し、燃料噴射弁から筒内に燃料を直接噴射し、筒内に成層化した混合気を形成することで、大幅な希薄燃焼を行う内燃機関は、特に低・中負荷において、大幅に燃料消費が低減できることが知られている。
【０００３】
このような直噴火花点火式内燃機関においては、混合気を着実に点火・燃焼せしめるために、機関の回転・負荷に応じて、筒内に適切な大きさ・空燃比の混合気塊を、確実に成層化した状態で形成することが重要である。
【０００４】
このような直噴火花点火式内燃機関において、燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧をピストンキャビティへ衝突させ、ピストンキャビティ形状に沿った噴霧の循環流を形成することにより、筒内に適切な成層混合気を形成する手法がある。このような成層混合気形成手段として、特許文献１に示されているものがある。これは、燃料噴射弁をピストンキャビティの真上近傍に配置し、燃料噴霧をピストンキャビティ周壁面に衝突させ、ピストンキャビティ中心部へ向かう噴霧循環流を形成することにより、筒内に適切な成層混合気を形成する手法である。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−８２０２８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、機関の負荷の増減に対して、混合気塊の空燃比をいわゆる理論空燃比近傍に維持するためには、混合気塊の大きさを制御する必要があるが、前記のようにピストンキャビティを使って主に混合気の成層化を行う場合、ピストンキャビティ容積を負荷に対して可変にすることは困難であるので、低負荷時は混合気塊の空燃比が過薄となり、高負荷時は混合気塊の空燃比が過濃となる傾向が生じてしまうという問題点があった。
【０００７】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、容積の固定されたピストンキャビティを持つものであっても、機関の運転条件に応じて、適切な濃度・大きさの混合気塊を燃焼室内に形成可能とすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明では、成層燃焼を行う領域において、機関の負荷に応じて燃料噴霧角を変化させて、低負荷ほど燃料噴霧角を大きく、高負荷ほど燃料噴霧角を小さくし、低負荷時は、ピストンの冠面に衝突する前の燃焼室上面側に偏在する燃料噴霧で混合気塊を形成する一方、中負荷時は、燃料噴霧が一旦キャビティ周壁面に衝突後、キャビティ周壁面から中心軸方向へと成長して、混合気塊を形成し、高負荷時は、燃料噴霧が一旦キャビティ底面に衝突後、キャビティ中心軸から周壁面方向へと成長して、混合気塊を形成する構成とする。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、低負荷時にはコンパクトな混合気塊を、中負荷時には比較的大きな混合気塊を、高負荷時には更に大きな混合気塊を形成可能となり、広い負荷範囲において安定した燃焼を実現可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
先ず、本発明の第１実施形態について説明する。
【００１１】
図１は本発明の第１実施形態の構成を示している。
この内燃機関は、シリンダヘッド１、シリンダブロック２及びピストン３により構成される燃焼室４を有し、吸気バルブ５及び排気バルブ６を介して、吸気ポート７から新気を導入及び排気ポート８から排気を排出する。前記バルブを駆動するカム軸端には燃料ポンプ９が配置されている。燃料ポンプ９により加圧された燃料は燃料配管１０を介して燃料噴射弁１１より燃焼室４へ噴射可能である。但し、燃料ポンプ９は、別に配置された電気モータにより駆動される形式としてもよい。
【００１２】
燃料噴射弁１１は燃料噴霧角を制御可能となっている。
この場合、燃料噴霧角を大きくするため、燃料噴射弁の燃料噴射角を大きくするようにしてもよい。例えば、特開２０００−３０３９３６号公報に示される噴射弁を用いてもよいし、同様の機能を有するものを用いてもよい。
但し、本実施形態では、燃料噴射弁１１は燃圧を高めると噴霧角が大きくなる渦巻き噴射弁とし、燃圧によって噴霧角を制御している。このため、燃料ポンプ９は、燃圧センサを有しており、フィードバック制御により任意の圧力に制御可能となっている。
【００１３】
ピストン３の燃料噴射弁１１に対面する冠面には、燃料噴霧を案内するガイド壁面で画成されるキャビティ（ボウル部）３ｂが形成されており、噴射された燃料は主にこのキャビティ３ｂ内に成層化された混合気塊を形成する。そして、この混合気は、点火プラグ１２により点火・燃焼せしめられる。キャビティ３ｂはその周壁面形状が燃料噴射弁１１側に湾曲していると共に、湾曲したキャビティ周壁面の端部が燃料噴射弁１１側を指向している。
【００１４】
尚、この内燃機関はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１３にて統合的に制御される。このためＥＣＵ１３にはクランク角センサ信号、水温センサ信号、アクセル開度信号などが入力され、これらの信号を基に、各種制御を行う。
【００１５】
また、この内燃機関では、燃焼形態として主に、圧縮行程中（特に圧縮行程後半）に燃料噴射を行うことでリーン運転を実現し燃費を向上させる成層燃焼モードと、吸気行程中（特に吸気行程前半）に燃料噴射を行いストイキ運転（理論空燃比運転）を実現する均質燃焼モードとが設けられており、運転状態に応じて選択されるようになっている。
【００１６】
図２に本実施形態における運転負荷と燃料噴射弁より噴射される燃料噴霧角との関係及び各運転負荷における燃焼室内の燃料混合気分布を示す。
成層燃焼モードにおける低負荷時においては、噴射される燃料量が少ないため、燃料噴霧角が小さいと、噴射された燃料がピストンキャビティ及びその上部で高拡散され、着火及び燃焼安定性の悪い希薄混合気が形成される。
渦巻き噴射弁は燃圧を高めると噴霧角が大きくなり、燃圧を低下すると噴霧角も小さくなるという特性を有している。
そのため、成層燃焼モードにおける低負荷においては、燃圧を高め、噴霧角を大きくして、燃料噴霧が直接プラグギャップ近傍を指向するように制御することにより、燃焼安定性の優れた可燃混合気の形成が可能となる。
【００１７】
一方、成層燃焼モードにおける中・高負荷時においては、噴射される燃料量が多いため、プラグギャップ近傍を指向すると、噴射された燃料は燃焼室上部で過濃混合気を形成すると共にプラグのかぶりやくすぶりの原因ともなる。
そのため、成層燃焼モードにおける中負荷においては、噴霧角を小さくして、キャビティ周壁面からキャビティ中心軸方向へと成長する燃料噴霧を形成させることにより、適度な大きさの可燃混合気が形成する。この場合は低負荷時よりも燃圧を低下させて燃料噴射を行う。
また、成層燃焼モードにおける高負荷においては、噴霧角を更に小さくして、キャビティ中心軸からキャビティ周壁面方向へと成長する燃料噴霧を形成させることにより、適度な大きさの可燃混合気が形成する。この場合は中負荷時よりも更に燃圧を低下させて燃料噴射を行う。
このように、中・高負荷時においては、燃料噴霧角を段々と小さくし、噴霧をピストンキャビティ及びその上部で高拡散させることにより、着火及び燃焼安定性に優れるストイキ近傍の混合気を形成可能となる。
【００１８】
以上のように、負荷に応じて燃料噴射弁より噴射される燃料噴霧角を制御し、低負荷時には、燃料噴霧がプラグギャップ近傍を指向することで、噴霧の拡散を抑制して比較的小さな混合気塊を形成し、中・高負荷時には、噴霧の拡散・混合を促進してキャビティ内から外部に至る比較的大きな混合気塊を形成し、幅広い機関運転条件下において良好に燃焼せしめるのである。
【００１９】
図３は本実施形態におけるＥＣＵ１３での制御フローを示したものである。本実施形態は、燃料噴霧の指向及び燃焼室内における燃料混合気塊の大きさを制御するものであるが、その制御は以下に示すように、予め運転条件に対して割り付けた燃料噴射タイミング、燃料噴射量及び燃料噴霧角（燃料噴射圧力）テーブルを参照することで、容易に実現可能である。これらのテーブルは予め実験結果より求めておく。
【００２０】
先ずステップ１（図にはＳ１と記す。以下同様）では、クランク角センサ、アクセル開度センサ等からの信号に基づき、機関の回転速度や負荷を検出する。
次にステップ２では、機関の運転条件に基づいた燃料噴射タイミング、燃料噴射量及び燃料噴霧角（燃料噴射圧力）を予め記憶させておいたテーブルより読み込む。ここで、これらテーブルの設定により、機関負荷に応じて、直接プラグギャップ近傍を指向させるか、キャビティ周壁面からキャビティ中心軸方向へと成長する燃料噴霧を形成させるか、キャビティ中心軸からキャビティ周壁面方向へと成長する燃料噴霧を形成させるのかが選択される。
【００２１】
次にステップ３では、前ステップまでに決まった噴射パラメータに従って、所定の燃料圧力を供給する燃料ポンプ９及び燃料噴射弁１１の針弁を駆動する信号を出力することで、燃料噴射を制御する。
【００２２】
本実施形態によれば、低負荷時はピストンの冠面に衝突する前の燃料噴霧で混合気塊を形成する一方、中・高負荷時はピストンの冠面に衝突した後の燃料噴霧で混合気塊を形成することにより、低負荷時にはコンパクトな混合気塊を、中・高負荷時には比較的大きな混合気塊を形成可能となり、広い負荷範囲において安定した燃焼を実現可能となる。また、中・高負荷領域で燃料噴霧が直接プラグギャップを指向しないためにプラグのかぶり、くすぶり等の問題を回避することが可能となる。
【００２３】
また、本実施形態によれば、低負荷時に形成する混合気塊は点火時期においてピストンの冠面から離れており、中・高負荷時に形成する混合気塊は点火時期においてピストンの冠面に接していることにより、それぞれ適切な大きさの混合気塊を形成可能となる。
【００２４】
また、本実施形態によれば、ピストンは燃料噴霧を案内するためのガイド壁面で画成されるキャビティを備えており、中・高負荷時はそのガイド壁面を経由してピストンの上方へ巻き上がる燃料噴霧で混合気塊を形成することにより、適切な濃度・大きさの混合気塊を形成可能となる。
【００２５】
また、本実施形態によれば、キャビティ周壁面形状が燃料噴射弁側に湾曲していると共に、湾曲したキャビティ周壁面の端部が燃料噴射弁側を指向していることにより、高負荷時に燃料噴霧が一旦ピストン冠面に衝突後、混合気の過拡散が抑制されより成層化された可燃混合気が形成可能となる。
【００２６】
また、本実施形態によれば、高負荷時は、燃料噴霧が一旦キャビティ底面に衝突後、キャビティ中心軸から周壁面方向へと成長する燃料噴霧を形成して略プラグギャップを指向することにより、成層化された比較的大きな混合気塊が形成可能となり、高負荷時に安定した燃焼が実現可能となる。
その一方、中負荷時は、燃料噴霧が一旦キャビティ周壁面に衝突後、キャビティ周壁面から中心軸方向へと成長する燃料噴霧を形成して略プラグギャップを指向することにより、中心軸から周壁面方向へと成長する燃料噴霧と比較して、小さな成層混合気形成が可能となり、中心軸から周壁面方向へと成長する燃料噴霧と比較して、運転負荷の比較的小さな条件においてより安定した燃焼が実現可能となる。
【００２７】
また、本実施形態によれば、燃料噴霧の指向を変化させる手段として、燃料噴霧角を変化させる手段を用いることにより、低負荷時に容易にプラグギャップを指向可能となる。
【００２８】
また、本実施形態によれば、低負荷時は高負荷時と比較して燃料噴霧角を大きくすることにより、燃焼室内へのプラグギャップの突き出し量が比較的小さい場合でも、低負荷時に燃料噴霧がプラグギャップを指向可能となる。
【００２９】
また、本実施形態によれば、燃料噴霧角を大きくするため、燃料噴射弁の燃料噴射角を大きくすることにより、低負荷時には容易にプラグギャップを指向可能となる。
【００３０】
また、本実施形態によれば、燃料噴射弁が渦巻き噴射弁の場合に、燃料噴霧角を大きくするため、燃圧（燃料噴射圧力）を大きくすることにより、噴射弁の構造を複雑化することなく噴霧角の変更が可能となる。
【００３１】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では第１実施形態との違いについてのみ説明する。
本実施形態での構成を図４に示す。図４は基本的に第１実施形態（図１）の構成に類似しているが、燃料噴射弁１１は２流体噴射弁となっている。また、カム軸端には空気ポンプ１４が配置されている。空気ポンプ１４により加圧された空気は空気配管１５を介して燃料噴射弁（２流体噴射弁）１１より燃料と共に燃焼室４へ噴射可能である。
【００３２】
２流体噴射弁では、燃料の質量割合を大きくすることにより、噴霧角を大きくでき、逆に燃料の質量割合を小さくすることにより、噴霧角を小さくできる。
従って、本実施形態では、負荷に応じて、燃料の質量割合を制御することにより、噴霧角を制御する。尚、噴射弁より噴射される空気に対する燃料の質量割合は、空気ポンプ１４を制御して噴射する空気量を変化させることにより容易に変更可能である。
【００３３】
特に本実施形態によれば、燃料噴射弁が２流体噴射弁の場合に、燃料噴霧角を大きくするため、噴射される気体に対する液体の質量割合（燃料質量割合）を大きくすることにより、噴射弁の構造を複雑化することなく噴霧角の変更が可能となる。
【００３４】
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では第１実施形態との違いについてのみ説明する。
本実施形態での構成は、基本的に第１実施形態（図１）の構成に類似しているが、吸気カムは排圧制御のためバルブタイミングが任意に変更できるようになっている。バルブタイミングを変更するための機構は、カムの位相を変更するタイプでもよいし、複数のカムを切り替えるタイプでもよく、バルブタイミングが任意に変更できるものであればこれに限定するものではない。
【００３５】
燃料噴射弁１１は渦巻き噴射弁でもよいし、２流体噴射弁でもよく、背圧（燃料噴射時の筒内圧力）の低下により噴霧角が大きくなる噴射弁であればこれに限定するものではない。
【００３６】
従って、本実施形態では、負荷に応じて、低負荷側では、吸気バルブ閉じ時期を遅くして、排圧を低下させることにより、噴霧角を大きくし、高負荷側では、吸気バルブ閉じ時期を早期化して、排圧を増加させることにより、噴霧角を小さくする。
【００３７】
特に本実施形態によれば、燃料噴霧角を大きくするため、背圧を低下させることにより、より具体的には、吸気バルブの閉じ時期を遅くすることにより、噴射弁の条件を同一のままで噴霧角の変更が可能となる。
【００３８】
また、上記第１〜第３実施形態において、図５に示されるように、噴射弁又はその噴孔の周囲に略円錐状のガイド壁（座グリ）を形成するとよい。ガイド壁（座グリ）は、小噴霧角（低燃圧、低燃料割合、高背圧）における噴霧ではほとんどコアンダ効果がなく、大噴霧角（高燃圧、高燃料割合、低背圧）における噴霧では大きなコアンダ効果により噴霧がガイド壁（燃焼室の上壁面）に引き寄せられる形状にする。
【００３９】
これにより、燃料噴射弁の噴霧角制御量（あるいは燃圧制御量、空気に対する燃料割合の変更量、背圧制御量）を抑制しつつ、より大きな噴霧角変更作用を得ることが可能となる。特にまた、ガイド壁（座グリ）が略円錐形状であることにより、燃料噴霧全周に亘りコアンダ効果を利用可能となり、より効果的に噴霧角の変更が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の構成図
【図２】第１実施形態として運転負荷と燃料噴霧角との関係及び各運転負荷における燃焼室内の燃料混合気分布を示す図
【図３】第１実施形態の制御フローチャート
【図４】第２実施形態の構成図
【図５】噴射弁周囲の座グリ有無による混合気分布を比較する図
【符号の説明】
１シリンダヘッド
２シリンダブロック
３ピストン
３ｂキャビティ
４燃焼室
５吸気バルブ
６排気バルブ
７吸気ポート
８排気ポート
９燃料ポンプ
１０燃料配管
１１燃料噴射弁
１２点火プラグ
１３エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
１４空気ポンプ
１５空気配管

Claims

ピストンと、燃焼室上面に配設された点火プラグと、燃焼室上面の略中央に配設された燃料噴射弁と、ピストン冠面に形成したキャビティと、を備え、前記点火プラグ周辺に局在する混合気塊に火花点火して成層燃焼を行う直噴火花点火式内燃機関において、
成層燃焼を行う領域で、機関の負荷に応じて燃料噴霧角を変化させて、低負荷ほど燃料噴霧角を大きく、高負荷ほど燃料噴霧角を小さくし、
成層燃焼を行う領域での低負荷時は、前記ピストンの冠面に衝突する前の燃焼室上面側に偏在する燃料噴霧で前記混合気塊を形成する一方、
成層燃焼を行う領域での中負荷時は、燃料噴霧が一旦キャビティ周壁面に衝突後、キャビティ周壁面から中心軸方向へと成長して、前記混合気塊を形成し、
成層燃焼を行う領域での高負荷時は、燃料噴霧が一旦キャビティ底面に衝突後、キャビティ中心軸から周壁面方向へと成長して、前記混合気塊を形成することを特徴とする直噴火花点火式内燃機関。
キャビティ周壁面形状が燃料噴射弁側に湾曲していると共に、湾曲したキャビティ周壁面の端部が燃料噴射弁側を指向していることを特徴とする請求項１記載の直噴火花点火式内燃機関。
燃料噴霧角を大きくするため、燃料噴射弁の燃料噴射角を大きくすることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の直噴火花点火式内燃機関。
燃料噴射弁が渦巻き噴射弁の場合、燃料噴霧角を大きくするため、燃圧を大きくすることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の直噴火花点火式内燃機関。
燃料噴射弁が２流体噴射弁の場合、燃料噴霧角を大きくするため、噴射される気体に対する液体の質量割合を大きくすることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の直噴火花点火式内燃機関。
燃料噴霧角を大きくするため、背圧を低下させることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の直噴火花点火式内燃機関。
燃料噴射弁又はその噴孔周囲に座グリ状のガイド壁が設置されていることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関。
前記座グリ状のガイド壁が略円錐形状であることを特徴とする請求項７記載の直噴火花点火式内燃機関。