JPH04187819A - 筒内直接噴射式火花点火機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は筒内直接噴射式火花点火機関に関する。

〔従来の技術〕

シリンダ内に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁を備
え、低負荷時には圧縮行程後半に点火栓を指向せしめて
燃料を噴射せしめて成層燃焼を行い、中・高負荷時には
吸気行程と圧縮行程後半とにおいて、燃料を噴射せしめ
て弱成層燃焼を行うようにした筒内直接噴射式火花点火
機関が開示されている（特開平２−１６．９８３４号公
報参照）。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながらこの内燃機関では、機関冷間時においては
シリンダ内の温度、例えば燃焼室の壁温が低いために、
シリンダ内に噴射された燃料の蒸発が悪化し、このため
、着火および火炎伝播に必要な混合気の形成が不十分と
なり良好な燃焼が得られないという問題を生ずる。

また、例えば低負荷運転時からの加速時においても、シ
リンダ内の温度が相対的に低いために同様の問題を生ず
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記問題点を解決するため本発明によれば、シリンダ内
に燃料を直接噴射せしめて点火栓によって着火せしめる
ようにした内燃機関において、シリンダ内に発生する旋
回流の強さを制御するたｔの旋回流制御手段を備え、シ
リンダ内低温時には旋回流制御手段によって旋回流を強
めるようにしている。

〔作　用〕

シリンダ内低温時においては旋回流制御手段によって旋
回流が強められる。これによって、シリンダ内に噴射さ
れた燃料の蒸発霧化を促進することができ、良好な混合
気を形成することができる。

〔実施例〕

第１図を参照すると、１はシリンダブロック、２はシリ
ンダヘッド、３はピストン、４はシリンダ室、５は吸気
管、６は排気管を夫々示す。吸気管５にはリンクレスス
ロットル弁７が配置される。

このスロットル弁７はステップモータ８によって開閉制
御せしめられ、アイドル運転時以外および減速運転時以
外においてはほぼ全開状態とされる。

燃料噴射弁９の先端はシリンダ室４まで延び、シリンダ
室４内に燃料を直接噴射することができる。

各気筒の燃料噴射弁９は、各燃料噴射弁９に共通の蓄圧
室１０に接続され、この蓄圧室１０は燃料ポンプ１１に
よってほぼ一定圧力の高圧燃料で満たされている。点火
栓１２はディストリビユータ１３を介してイグナイタ１
４に接続される。

第２図にはシリンダヘッド２の底面図を示す。

第２図を参照すると、吸気管５はストレート吸気ボート
５０とヘリカル吸気ボート５１に分岐しており、夫々の
吸気ボー）５０．５１に対応して吸気弁５２．５３が配
置されている。合流する一対の排気ボート５４゜５５に
対応して一対の排気弁５６．５７が配置されている。ス
トレート吸気ボート５０にはステップモータ５８によっ
て駆動される吸気制御弁５９が配置される。

吸気制御弁５９を全開にするとシリンダ内にはヘリカル
吸気ボート５１だけから空気が流入するために、シリン
ダ内には図中右回りの強力な旋回流が形成される。吸気
制御弁５９を開弁するとストレート吸気ボート５０から
も空気がシリンダ内に流入し、これによって、ヘリカル
吸気ボート５１から流入する空気によって形成される旋
回流と逆向きの旋回流が形成されるため、右回りの旋回
流は弱められる。

吸気制御弁５９が全開せしめられると右回りの旋回流は
最も弱くなる。このように吸気制御弁５９の開度を制御
することによって旋回流の強さを制御することができる
。

吸気制御弁５９の開度は例えば第３図に示されるように
負荷に応じて制御される。低負荷時では全閉とされ、負
荷の増大に伴なって開度が段階的に増大せしめられ、高
負荷時には全開とされる。

再び第１図を参照すると、電子制御ユニット３０はディ
ジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によっ
て相互に接続されたＲＯＭ（ＩＪ−ドオンリメモリ）３
２、ＲＡＭ　（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ
　（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および
出力ポート３６を具備する。機関回転数を検出するため
のクランク角センサ２５はディストリビュータ１３に内
蔵され、クランク角センサ２５の出力信号は人力ボート
３５に入力される。機関冷却水温を検出するための水温
センサ２６はＡＤ変換器３７を介して人力ボート３５に
接続される。図示しないアクセルペダルの踏込み量を検
出するためのアクセル開度センサ２７はＡＤ変換器３８
を介して入力ポート３５に接続される。

一方、出力ポート３６は各駆動回路３９，４０，４１゜
４２を介して夫々燃料噴射弁９、イグナイタ１４、吸気
制御弁５９のステップモータ５８、およびスロットル弁
７のステップモータ８に接続される。

第４図には第１図の機関本体の拡大断面図を示す。第４
図を参照すると、ピストン頂部に形成された凹状燃焼室
２０は、上部側の大径の浅皿部２１と、浅皿部２１の中
央部に形成された下部側の深皿部２２との二重構造とさ
れ、深皿部２２は浅皿部２１よりも小径に形成されてい
る。

図示しない吸気ボートはスワールボートとなっており、
燃料噴射弁９は多噴孔ホールノズルを有する。したがっ
て燃料噴射弁９は比較的貫徹力が強くかつ広がり角の小
さい棒状の燃料を噴射する。

燃料噴射弁９は、斜め下方を指向してシリンダ室４の頂
部に配置される。また燃料噴射弁９の燃料噴射方向およ
び燃料噴射時期は、噴射燃料が燃焼室２０内に指向する
ように決められている。点火栓１２は、ピストン３の上
死点時に凹状燃焼室２０内に位置するように配設される
。

第５図には圧縮行程噴射と吸気行程噴射の制御パターン
を示す。第５図を参照すると、横軸は機関の負荷を表し
ており、第５図では負荷として燃料噴射量Ｑをとり、縦
軸には燃料噴射量Ｑをとっている。燃料噴射量Ｑ５に相
当する負荷領域までは、圧縮行程においてだけ燃料が噴
射される。圧縮行程燃料噴射量はＱ５まで漸次増大せし
められる。燃料噴射量Ｑ、において、圧縮行程燃料噴射
量はＱＩｌｌまで急激に減少せしめられると共に吸気行
程燃料噴射量はＱ、まで急激に増大せしめられる。Ｑｓ
は中負荷付近の燃料噴射量であり、ＱｎとＱ、との和と
して次式で示される。

Ｑ　ｓ　＝　Ｑ　ｏ　＋　Ｑ　ｐ ここで、ＱＩｌｌは点火栓１２により着火可能な混合気
を形成し得る最小限の圧縮行程燃料噴射量であり、Ｑ、
は吸気行程において噴射された燃料がシリンダ室４内に
均質な拡散した際に点火栓１２による着火火災が伝播可
能な最小限の吸気行程燃料噴射量である。

燃料噴射量がＱ、より大きくかつＱａより小さい負荷領
域においては、全燃料噴射量Ｑを圧縮行程と吸気行程と
に分割して噴射し、圧縮行程燃料噴射量は負荷によらず
一定とし吸気行程燃料噴射量は負荷の増大に伴って増大
せしめられる。

燃料噴射量がＱ、より大きい負荷領域においては、燃料
噴射量が多いため吸気行程噴射によって形成されるシリ
ンダ室内の予混合気の濃度が着火に十分なほど濃いため
、着火のための圧縮行程噴射をやめて、要求燃料噴射量
の全量を吸気行程において噴射することとしている。Ｑ
□はシリンダ室内に燃料が均質に拡散した場合にも点火
栓により着火可能な均質混合気を形成可能な最小限吸気
行程燃料噴射量である。

再び第４図を参照すると、中負荷付近Ｑ、より低い負荷
領域においては、圧縮行程後期に燃料噴射弁９から燃焼
室２０に向かって要求噴射量の全量が噴射される。燃料
噴射時期は遅くされ、このため大部分の燃料は深皿部２
２内に噴射される。深皿部２２内壁面に付着した燃料は
蒸発霧化し、燃焼室２０内に可燃域を含む濃淡のある混
合気層を形成する。この混合気層の一部が点火栓１２に
より点火され、主に深皿部２２内で良好な燃焼が完了す
る。

中負荷付近Ｏ５より高＜ＱＨより低い負荷領域において
は、第６図に示されるように、吸気行程初期（第６図（
ａ））に吸気行程噴射が実行され、燃料噴射弁９から燃
焼室２０を指向して燃料が噴射される。噴射燃料Ｆは主
に浅皿部２１に衝突し、その一部はシリンダ室４中に反
射し、他の一部は浅皿部２１の壁面に付着し壁面からの
加熱により蒸発霧化する。これらの燃料は、吸入渦流Ｓ
Ｗおよび吸気流の乱れＲによって吸気行程から圧縮行程
に至る間に予混合気Ｐが形成される（第６図（ｂ））。

この予混合気Ｐの空燃比は、着火火炎が伝播できる程度
の空燃比とされる。吸入渦流ＳＷが強い場合には、シリ
ンダ室４外周付近が濃く、中心付近が薄くなるような予
混合気が形成される。

なお、吸気行程噴射時期を早めて、ピストン３がより上
死点に近い位置にあるときに燃料を噴射すると、大部分
の燃料は深皿部２２内に噴射され、大部分の燃料が深皿
部２２内で予混合気化される。

続いて圧縮行程後期（第６図（Ｃ））に圧縮行程噴射が
実行され、大部分の燃料が深皿部２２内に噴射される。

深皿部２２内壁面に付着した燃料は、壁面および圧縮空
気からの加熱により気化し、渦流ＳＷにより拡散混合し
、可燃域を含む濃淡のある不均一混合気層が形成される
。この混合気層の一部が点火栓１２により点火され、不
均一混合気層の燃焼が進行する（第６図（ｄ））。この
燃焼により形成された火炎Ｂが深皿部２２内で発達する
過程で、周辺の予混合気に伝播し、さらに逆スキッシニ
流Ｓにより、深皿部２２外まで燃焼を進行させる。

なお圧縮行程噴射時期を早め、燃料を浅皿部２１と深皿
部２２の両方に噴射する場合には、火炎が浅皿部２１と
深皿部２２とに広く分布し、予混合気への火炎の伝播を
より容易にすることができる。

ところでこのような内燃機関では、機関冷間時において
はシリンダ内の温度、例えば燃焼室２０の壁温が低いた
めに、シリンダ内に噴射された燃料の蒸発が悪化し、こ
のため着火および火炎伝播に必要な混合気の形成が不十
分となり、良好な燃焼が得られないという問題を生ずる
。

また、シリンダ内の温度は燃料噴射量が少ない程低下す
るために、低負荷運転時からの加速時においては、シリ
ンダ内の温度は相対的に低くなり上述と同様の問題を生
ずる。

そこで以下の実施例ではシリンダ内の温度が低いときに
は、吸気制御弁５９の開度を小さくすることによってシ
リンダ内の旋回流を強めるようにしている。

これによってシリンダ内に噴射された燃料の蒸発霧化が
促進され、良好な混合気が形成されるために良好な燃焼
を得ることができる。

第７図にはシリンダ内低温時における吸気制御弁５９の
開度制御の第１の実施例を示す。この実施例では高負荷
時であっても吸気制御弁の開度が２０％となるように制
御しており、通常時（シリンダ内が低温時でないとき）
に対し中・高負荷域で吸気制御弁５９の開度が減少せし
められている。

第１の実施例を実行するためのルーチンを第８図に示す
。このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行され
る。まずステップ７０において、アクセル踏込み量と機
関回転数とのマツプから全燃料噴射量Ｑが計算される。

次いで、ステップ７１では全燃料噴射量Ｑと機関回転数
とのマツプから吸気制御弁５９の開度Ｒ，ｃｖが計算さ
れる。ステップ７２ではＲＳ　ＣＶが２０％より大きい
か否か判定される。

Ｒ３゜、５２０％の場合には本ルーチンを終了し、ステ
ップ７１で計算されたＲｓｃｖが使用される。Ｒ８゜。

〉２０％の場合にはステップ７３に進み機関冷却水温Ｔ
Ｗが７０℃以上か否か、すなわち機関冷間時か否か判定
される。ＴＷ＜７０℃の場合、すなわち機関冷間時の場
合には、ステップ７６に進み、吸気制御弁開度Ｒｓｃｖ
は２０％に減少せしめられる。一方、ＴＷ≧７０℃と判
定されると、ステップ７４に進み、平均燃料噴射量ＱＡ
が次式により計算される。

ＱＡ＝ΣＱ、、／ｎ ここでΣＱ、、は現在に最も近い過去ｎ回分の全燃料噴
射量Ｑの総和を示しており、従ってΣＱ、／ｎによって
過去ｎ回分の平均燃料噴射量を計算することができる。

シリンダ内温度は燃料噴射量が多い程高くなり、従って
ＱＡはシリンダ内温度を間接的に示している。すなわち
ＱＡが小さいということはシリンダ内温度が低いという
ことを示している。次いでステップ７５では今回の全燃
料噴射量Ｑと平均燃料噴射量ＱＡとの差を計算する。Ｑ
−ＱＡが予め定められた値、例えば１５皿３以上になる
と、シリンダ内温度が相対的に低いということを示して
いる。例えば低負荷運転時から加速運転をした場合には
Ｑ−ＱＡ　＞１５となる。この場合にも機関冷間時と同
様に、良好な着火および燃焼が得られないという問題が
ある。従って、Ｑ−ＱＡ〉１５の場合、ステップ７６に
進み、吸気制御弁開度ＲＳ　ＣＶは２０％に減少せしめ
られる。一方、Ｑ−ＱＡ≦１５の場合には本ルーチンを
終了し、ステップ７１において計算されたＲ３ＣＶが使
用される。

第９図にはシリンダ内低温時における吸気制御弁５９の
開度制御の第２の実施例を示す。この実施例では通常時
に対しほぼ全負荷域で吸気制御弁５９の開度が減少せし
められており、通常時開度２０％以下の場合には全て開
度０％とされ、通常時開度が２０％を越え７０％未満の
場合には通常時開度より２０％減少せしめられ、通常時
開度７０％以上の場合には開度５０％とされる。

第２の実施例を実行するためのルーチンを第１０図に示
す。このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行さ
れる。第８図に示すルーチンと同一のステップについて
は同一のステップ番号を付してその説明を省略する。ス
テップ７３において、ＴＷ＜７０℃と判定されるとステ
ップ８０に進み、吸気制御弁開度Ｒ３゜７が２０％より
大きいか否か判定される。Ｒ８゜、５２０％の場合には
ステップ８３に進み、Ｒ８ＣＶは０％とされる。一方、
Ｒｓｃｖ　＞２０％の場合にはステップ８１に進み、Ｒ
３゜７〈７０％か否か判定される。Ｒｓｃｖ　＜７０％
であればステップ８２においてステップ７１で計算され
たＲ５゜７は２０％だけ減算される。一方、Ｒ３ＣＶ≧
７０％であればステップ８４に進み、Ｒ８゜、は５０％
とされる。

一方、ステップ７５においてＱ−ＱＡ　＞１５と判定さ
れた場合には、ステップ８０からステップ８４において
Ｒ３゜、が減少補正せしめられる。一方、Ｑ−ＱＡ　≦
１５の場合には本ルーチンを終了し、ステップ７１で計
算されたＲＳＣＶがそのまま使用される。

第１１図にはシリンダ内低温時における吸気制御弁５９
の開度制御の第３の実施例を示す。第１１図では横軸に
時間を、縦軸に吸気制御弁５９の開度をとっている。吸
気制御弁５９を開弁せしめる際には、通常時に対しシリ
ンダ内低温時には遅延時間を設けて開弁せしめるように
している。これによっても、結果的に吸気制御弁開度を
小さくすることとなり良好な燃焼が得られる。

第１２図には第３の実施例を実行するためのルーチンを
示す。このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行
される。第１２図を参照すると、まずステップ９０にお
いて全燃料噴射量Ｑが計算される。

次いでステップ９１において平均燃料噴射量ＱＡが計算
される。ステップ９２では全燃料噴射量Ｑと平均燃料噴
射量ＱＡ　との差が１５ｍｍ３より大きいか否か判定さ
れる。例えば低負荷でほぼ定常運転されている場合を考
えると、Ｑ−Ｑ＾≦１５となりステップ９３に進み、吸
気制御弁開度Ｒ５ＣＶが計算される。この場合、低負荷
運転を想定しているので吸気制御弁５９はほぼ全閉状態
とされる。次に低負荷運転から高負荷運転へと加速運転
をした場合を考える。この場合には低負荷運転でシリン
ダ内温度が低い状態から高負荷運転に移行して多量の燃
料がシリンダ内に噴射されるため、シリンダ内温度が相
対的に低いために燃料の蒸発霧化が悪化し前述のように
燃焼が悪化するという問題を生ずる。

この場合にはＱ−ＱＡ＞１５となるのでステップ９４に
進み、フラグＦ＝１か否か判定される。当初フラグＦは
０であるため、ステップ９８に進みカウンタＣに予め定
められた値Ｃ８が入れられる。次いでステップ９９でフ
ラグＦが１にセットされる。次の処理サイクルでは、ス
テップ９４で肯定判定されてステップ９５に進む。ステ
ップ９５ではカウンタＣが１だけデクリメントされる。

ステップ９６ではカウンタＣが０になったか否か判定さ
れる。カウンタＣが０でないときは本ルーチンを終了し
、カウンタＣが０になったときはステップ９７に進みフ
ラグＦがＯにリセットされる。この間、Ｒ３゜、は計算
されないため、Ｒ５゜、は小さいままである。次にステ
ップ９２において未だＱ−Ｑ、　＞１５であればステッ
プ９４からステップ９９でカウンタＣのカウント動作を
繰り返す。次いで加速の終期に近づいてＱ−ＱＡ≦１５
になるとステップ９３に進み、吸気制御弁開度Ｒｓｃｖ
が計算される。このときは高負荷状態であるためＲ５゜
、　＝　１００％となり吸気制御弁５９は全開されるこ
とになる。

なお、本実施例では１つの燃料噴射弁９によって吸気行
程噴射および圧縮行程噴射を実行するようにしているが
、２つの燃料噴射弁を有し、一方の燃料噴射弁で吸気行
程噴射を実行すると共に他方の燃料噴射弁によって圧縮
行程噴射を実行するようにしてもよい。

〔発明の効果〕

シリンダ内低温時であっても、旋回流を強めることによ
って良好な混合気を形成することができるため、良好な
燃焼を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は内燃機関の全体図、第２図はシリンダヘッドの
底面図、第３図は通常時における吸気制御弁の開度制御
を示す線図、第４図は機関本体の縦断面図、第５図は圧
縮行程噴射と吸気行程噴射の制御パターンの一例を示す
線図、第６図は燃料噴射の状態を示す説明図、第７図は
吸気制御弁の開度制御の第１の実施例を示す線図、第８
図は第１の実施例における吸気制御弁の弁開度を計算す
るためのフローチャート、第９図は吸気制御弁の開度制
御の第２の実施例を示す線図、第１０図は第２の実施例
における吸気制御弁の弁開度を計算するためのフローチ
ャート、第１１図は吸気制御弁の開度制御の第３の実施
例を示す線図、第１２図は第３の実施例における吸気制
御弁の弁開度を計算するためのフローチャートである。 ４・・・シリンダ室、　　９・・・燃料噴射弁、１２・
・・点火栓、　　　　２６・・・水温センサ、５９・・
・吸気制御弁。 第２図 負荷 第３回 第４図 吸気行程初期 （ａ） 圧縮行程後期 （Ｃ） 第〔 （ｂ） （ｄ） ３図 第８図 第９図 第１０図 第１１０

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. シリンダ内に燃料を直接噴射せしめて点火栓によって着
   火せしめるようにした内燃機関において、シリンダ内に
   発生する旋回流の強さを制御するための旋回流制御手段
   を備え、シリンダ内低温時には前記旋回流制御手段によ
   って旋回流を強めるようにした筒内直接噴射式火花点火
   機関。