JP4765896B2 - 直噴火花点火式内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、吸気弁のリフト量を変化させることができる可変動弁装置を備える直噴火花点火式内燃機関に関する。

特許文献１には、直噴火花点火式内燃機関において、始動時及び始動直後に、吸気弁のバルブリフト量（及びバルブ作動角）を小さくし、かつ吸気弁のバルブタイミングを遅らせて、吸気弁閉時期を固定したまま、吸気弁開時期を上死点以降かつ排気弁閉時期以降へ遅らせることにより、燃焼室内の負圧が発達してから一気に吸入することで、吸気流速を高める一方、燃料噴射時期を下死点近傍まで遅らせて、最大流速の状態で燃料噴射を行うことにより、燃料の微粒化促進を狙うようにしたものが開示されている。
特開２００５−２０１１８５号公報

しかしながら、吸気弁のリフト量が小さいときは、吸気流速は高まるものの、吸気は吸気弁の傘裏に沿って燃焼室内に入り、そのまま燃焼室壁面近傍をこれに沿って進行することで大きな抵抗を受けると共に、燃焼室の上面中央部や側面に衝突することで、減衰も早いことから、吸気流動が保存されにくいことがわかってきた。
このため、吸気弁のリフト量が小さいときは、噴射燃料の気化・拡散が悪化し、筒内混合気分布にムラができ、燃料噴射時期を遅くすると、これらがより顕著となる。

従って、例えば、可及的なノンスロットル運転を実現すべく、負荷に応じて吸気弁のリフト量を制御するような場合、低負荷領域で吸気弁のリフト量が小さくなると、上記と同様の理由で、噴射燃料の気化・拡散が悪化し、混合気の均質度の悪化により、燃焼安定度が悪化する。
本発明は、このような実状に鑑み、吸気流動が保存されにくい吸気弁の低リフト量状態のときの混合気の均質度を向上させて、燃焼安定性を確保することを目的とする。

本発明は、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、吸気弁のリフト量を変化させることができる可変動弁装置とを備える直噴火花点火式内燃機関において、
吸気弁のリフト量に応じて、燃料噴射時期を変更し、高リフト量の領域では、排気上死点後に１回燃料噴射を行い、低リフト量の領域では、排気上死点前に１回燃料噴射を行い、前記高リフト量の領域と前記低リフト量の領域との間の中リフト量の領域では、排気上死点を挟んでその前後に２回燃料噴射を行う燃料噴射時期設定手段を設けたことを特徴としている。

本発明によれば、吸気流動が保存されにくい低リフト量のときに排気上死点前へと燃料噴射時期を早めることで、点火時期までの気化時間をかせぐことができ、混合気の均質度を向上させることができる。また中リフト量の領域では、燃料噴射を排気上死点前後の２回に分割することで、燃焼安定度とスモーク性能とを両立させることができる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す内燃機関（エンジン）のシステム図である。
シリンダヘッド１、シリンダブロック２及びピストン３によって画成される燃焼室４は、吸気弁５を介して吸気ポート６と接続され、また排気弁７を介して排気ポート８と接続されている。吸気弁５及び排気弁７の開閉時期は、それぞれ、可変動弁装置９、１０により制御可能である。

各可変動弁装置９、１０としては、例えば、クランク軸とカム軸との回転位相を変更して吸・排気弁のバルブタイミング（バルブ作動角の中心位相）を可変制御可能なバルブタイミング可変装置（ＶＴＣ装置）と、バルブ作動角（開期間）及びバルブリフト量を連続的に可変制御可能なバルブ作動角及びバルブリフト連続可変装置（ＶＥＬ装置）とを組み合わせて用いる。この他、ＶＴＣ装置と、カム切換えによりバルブリフト量を複数段に切換可能なバルブリフト可変装置（ＶＶＬ装置）とを組み合わせて用いてもよいし、吸・排気弁を電磁アクチュエータにより駆動する電磁駆動弁装置（ＥＭＶ装置）を用いてもよい。いずれにしても、吸気弁５のリフト量を変化させることができる可変動弁装置であればよい。

燃焼室４内には、燃料噴射弁１１と、点火プラグ１２とが臨んでいる。
吸気通路１３には、電制スロットル弁１４が設けられている。
可変動弁装置９、１０、燃料噴射弁１１、点火プラグ１２、及び、電制スロットル弁１４の作動は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１５により制御される。
ＥＣＵ１５には、クランク角センサ（図示せず）により検出されるエンジン回転数Ｎｅ、アクセル開度センサ（図示せず）により検出されるアクセル開度ＡＰＯ、エアフローメータ（図示せず）により検出される吸入空気量Ｑａ等の情報が入力されている。

本実施形態のエンジンでは、少なくとも所定の運転条件において、電制スロットル弁１４を略全開に保持しつつ（ノンスロットル状態）、負荷に応じて、比例的に、吸気弁５のリフト量（及び開期間）を制御することで、吸入空気量を制御し、これに対応した量の燃料を燃料噴射弁１１より噴射供給することで、実質的なノンスロットル運転を実現する。
尚、可変動弁装置９により、特にＶＴＣ装置とＶＥＬ装置との組み合わせにより、負荷に応じて吸気弁５のリフト量を制御する際は、図２に示すように、吸気弁５の通常のリフト特性（図示実線）を高負荷時のリフト特性とし、これに対し、負荷が小さくなるほど、ＶＴＣ装置によりバルブ作動角の中心位相を進角すると共にＶＥＬ装置によりバルブリフト量（及びバルブ作動角）を小さくして、図示点線のような、低負荷時のリフト特性にする。

図３および図４は本発明の参考例を示すもので、図３は、縦軸に負荷（＝吸気弁のリフト量）をとり、横軸に燃料噴射時期をとって、成立する範囲にスマッチングを付している。
負荷が小さくなるほど、吸気弁のリフト量が小さくなり、前述の理由により吸気流動が保存されにくいことから、噴射燃料の気化、拡散が悪化し、燃焼安定度σＰｉが悪化するので、これを回避すべく、燃料噴射時期を早めて、噴射燃料が気化、拡散する時間を確保する必要ある。それ故、負荷（＝リフト量）が小さくなるほど燃料噴射時期を進角させる必要があるという燃焼安定度限界（σＰｉ限界）があり、この限界線より遅角側では燃焼安定度（σＰｉ）が悪化する。

また、気化・拡散時間を稼ぐためには燃料噴射時期を進角させる方がよいが、負荷が高くなると、噴射量が増え、排気上死点（ＴＤＣ）付近で一定量以上の燃料噴射を行うと、ピストンへの付着量が多くなり、スモークが発生する。従って、ＴＤＣ付近の燃料噴射に一定の制約があり、これがスモーク限界であり、この限界線より高負荷側ではスモークが悪化する。尚、噴射時期を極端に遅くした場合も、スモークが悪化する。

また、燃料噴射時期は、排気弁閉時期との関係で、進角しすぎると、噴射燃料がそのまま排気弁から排出されて、ＨＣが悪化するので、噴射燃料が排気弁に達するまでの時間（距離）を考慮して、排気弁閉時期よりやや進角させた位置以降に噴射する必要がある。これが排気弁閉時期との関係で決まるＨＣ限界であり、この限界線より進角側ではＨＣが悪化する。

従って、エンジンの特性上、図３のようなσＰｉ限界、スモーク限界、ＨＣ限界を有する場合は、σＰｉ限界のラインに沿って、負荷（＝リフト量）に応じて、燃料噴射時期を変更し、負荷（＝リフト量）が小さくなるほど、図中の☆印のように、燃料噴射時期を進角させる。言い換えれば、高リフト量の領域で、ＴＤＣ後に燃料噴射を行わせ、低リフト量の領域で、ＴＤＣ前に燃料噴射を行わせる。

この場合の制御フローチャートを図４に示す。
Ｓ１で、負荷（＝リフト量）を読込む。
Ｓ２で、図３に示したようなテーブル（☆印に沿うテーブルデータ）を参照し、負荷（＝リフト量）に応じて、燃料噴射時期を設定し、制御する。この部分が燃料噴射時期設定手段に相当する。

この例によれば、吸気弁のリフト量が小さくなるほど、燃料噴射時期を進角させることにより、及び／又は、高リフト量の領域で、排気上死点後に燃料噴射を行わせ、低リフト量の領域で、排気上死点前に燃料噴射を行わせることにより、燃焼安定度（噴射燃料の気化・拡散促進）とスモーク限界（ピストンへの燃料付着防止）とを両立させることができる。

次に本発明の実施形態について説明する。
図５は、エンジンの特性により、スモーク限界が異なり、排気上死点（ＴＤＣ）付近の１回噴射が成立しない場合を示してる。
従って、エンジンの特性上、図５のようなσＰｉ限界、スモーク限界、ＨＣ限界を有する場合は、基本的には、σＰｉ限界のラインに沿って、負荷（＝リフト量）に応じて、燃料噴射時期を変更し、負荷（＝リフト量）が小さくなるほど、図中の☆印のように、燃料噴射時期を進角させるが、高リフトの領域で、ＴＤＣ後に、低リフトの領域で、ＴＤＣ後に、それぞれ１回燃料噴射を行わせる一方、前記高リフトの領域と前記低リフトの領域との間の中リフトの領域で、ＴＤＣを挟んでその前後に２回燃料噴射を行わせる（★印）。すなわち、ＴＤＣ付近でのスモーク限界により１回噴射が困難となる中リフトの領域では、燃料噴射を２回に分割し、ＴＤＣ前と後に少量ずつ噴射することで、燃焼安定度（噴射燃料の気化・拡散促進）とスモーク性能（ピストンへの燃料付着防止）とを両立させるのである。

この場合の制御フローチャートを図６に示す。
Ｓ１１では、負荷（＝リフト量）を読込む。
Ｓ１２で、図５に示したようなテーブル（☆印に沿うテーブルデータと★印の２回噴射用のデータ）を参照し、負荷（＝リフト量）に応じて、燃料噴射時期と噴射回数とを設定する。この部分が燃料噴射時期設定手段に相当する。

Ｓ１３では、噴射回数＝２（２回噴射）か否かを判定し、ＮＯの場合は、Ｓ１４へ進んで１回噴射を行う。ＹＥＳの場合は、Ｓ１５へ進んで２回噴射（分割噴射）を行う。
本実施形態によれば、高リフト量の領域で、排気上死点後に１回燃料噴射を行わせ、低リフト量の領域で、排気上死点前に１回燃料噴射を行わせ、前記高リフト量の領域と前記低リフト量の領域との間の中リフト量の領域で、排気上死点を挟んでその前後に２回燃料噴射を行わせることにより、上死点付近での燃料噴射がスモーク限界から禁止されるような場合でも、燃焼安定度（噴射燃料の気化・拡散促進）とスモーク性能（ピストンへの燃料付着防止）とを両立させることができる。

尚、以上では、可変動弁装置を用いて、負荷に応じて、低負荷ほど吸気弁のリフト量を小さくするように制御する場合について説明したが、必ずしもこれに限るものではなく、吸気弁のリフト量を制御するもの一般に適用可能である。

本発明の実施形態を示すエンジンのシステム図 可変動弁装置による吸気弁のリフト量制御の説明図 負荷（リフト量）に対する燃料噴射時期の最適範囲の一例を示す図 参考例の制御フローチャート 本発明の実施形態として負荷（リフト量）に対する燃料噴射時期の最適範囲を示す図 この実施形態での制御フローチャート

符号の説明

４ 燃焼室
５ 吸気弁
７ 排気弁
９、１０ 可変動弁装置
１１ 燃料噴射弁
１２ 点火プラグ
１５ ＥＣＵ

Claims (2)

1. 燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、吸気弁のリフト量を変化させることができる可変動弁装置とを備える直噴火花点火式内燃機関において、
   吸気弁のリフト量に応じて、燃料噴射時期を変更し、高リフト量の領域では、排気上死点後に１回燃料噴射を行い、低リフト量の領域では、排気上死点前に１回燃料噴射を行い、前記高リフト量の領域と前記低リフト量の領域との間の中リフト量の領域では、排気上死点を挟んでその前後に２回燃料噴射を行う燃料噴射時期設定手段を設けたことを特徴とする直噴火花点火式内燃機関。
2. 前記可変動弁装置を用いて、負荷に応じて、低負荷ほど吸気弁のリフト量を小さくするように制御することを特徴とする請求項１に記載の直噴火花点火式内燃機関。

Images