JPH02140441A - 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〕

特開昭６２−１９１６２２号公報には、ピストン頂部に
凹状燃焼室を形成し、この燃焼室を浅皿部と、この浅皿
部の中央付近に形成された浅皿部よりも小径の深皿部と
の二層構造とし、吸気行程から圧縮行程前半にかけて燃
焼室の浅皿部上刃に向けて低貫徹力にて噴射する第１の
燃料噴射と、圧縮上死点近傍で燃焼室の深皿部に高貫徹
力にて噴射する第２の燃料噴射とを可能とし、機関高負
荷運転時には第１および第２の燃料噴射を実行し、低中
負荷運転時には第２の燃料噴射のみ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。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしこの機関では負荷が変化する過渡的な運転時にお
いて、負荷の変化に筒内温度が追従しないため過渡性能
が良好でないという問題がある。

すなわち、定常的な機関運転時においては筒内温度は燃
料噴射量によって定まるほぼ一定の温度となる。定常運
転時における定常時筒内温度は燃料噴射量の増大に伴っ
て上昇する。定常運転から、例えば負荷が減少して燃料
噴射量が減少した場合、筒内温度は燃料噴射量の減少に
追従して低下することができないため、筒内温度は減少
した燃料噴射量に対応する定常時筒内温度よりも過渡的
に高くなる。このため燃焼室壁温が高くなり燃焼室壁面
に付着した燃料の蒸発が促進され混合気形成が早められ
る。従って、混合気が形成されてから点火されるまでの
時間が長くなり、混合気が空気流に流されて、過薄領域
が発生し燃焼が不安定になる。特に出力空燃比での定常
運転から負荷が減少して噴射量を低減せしめ、理論空燃
比近傍となった場合、点火容易な混合気が早期に形成さ
れるためノッキングが発生する。一方、例えば負荷が増
大して燃料噴射量が増大した場合、筒内噴射温度は、増
大した燃料噴射量に対応する定常時筒内温度より過渡的
に低くなる。このため燃焼室壁温が低くなり、燃焼室壁
面に付着した燃料の蒸発が不十分となり、過濃な領域が
発生してスモークの発生および出力の低下を招く。

〔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、機関運転状
態に応じた要求燃料噴射量を、吸気行程と圧縮行程とに
分割噴射する筒内直接噴射式火花点火機関において、負
荷が減少する減少過渡運転時に、圧縮行程燃料噴射量に
対する吸気行程燃料噴射量の比である燃料噴射比を減少
過渡運転時と同一負荷の定常運転時の燃料噴射比より小
さくせしめるか、又は負荷が増大する増大過渡運転時に
、燃料噴射比を増大過渡運転時と同一負荷の定常運転時
の燃料噴射比より大きくせしめるようにしている。

〔作　用〕

負荷が減少する減少過渡運転時においては、燃料噴射比
（＝吸気行程燃料噴射量／圧縮行程燃料噴射量）を減少
過渡運転時と同一負荷の定常運転時の燃料噴射比より小
さくし、すなわち吸気行程燃料噴射量の割合を減少させ
る。これによって、混合気形成が抑制されることとなる
。

一方、負荷が増大する増大過渡運転時においては、燃料
噴射比を増大過渡運転時と同一負荷の定常運転時の燃料
噴射比より大きくし１、すなわち吸気行程燃料噴射量の
割合を増大させる。これによって、混合気形成が促進さ
れることとなる。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例を採用した４気筒ガソリン機
関の構成図を示す。同図において、１は機関本体、２は
サージタンク、３はエアクリーナ、４はサージタンク２
とエアクリーナ３とを連結する吸気管、５は各気筒内に
燃料噴射する電歪式の燃料噴射弁、６は高圧用リザーバ
タンク、７は高圧導管８を介して高圧燃料をリザーバタ
ンク６に圧送するための、吐出圧制御可能な高圧燃料ポ
ンプ、９は燃料タンク、１０は導管１１を介して燃料タ
ンク９から高圧燃料ポンプ７に燃料を供給する低圧燃料
ポンプを夫々示す。低圧燃料ポンプ１０の吐出側は、各
燃料噴射弁５のピエゾ圧電素子を冷却するだめの圧電素
子冷却用導入管１２に接続される。圧電素子冷却用導入
管１３は燃料タンク９に連結され、この返戻管１３を介
して圧電素子冷却用導入管１２を流れる燃料を燃料タン
ク９に回収する。各枝管１４は、各燃料噴射弁５を高圧
用リザーバタンク６に接続する。

電子制御ユニット２０はディジタルコンピュータからな
り、双方向性バス２１によって相互に接続されたＲＯＭ
　（リードオンリメモリ）２２、ＲＡＭ（ランダムアク
セスメモリ）２３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）２４
、人力ボート２５および出力ボート２６を具備する。高
圧用リザーバタンク６に取り付けられた圧力センサ２７
は高圧用リザーバタンク６内の圧力Ｐを検出し、その検
出信号はＡ／Ｄコンバータ２８を介して人力ボート２５
に入力される。機関回転数Ｎｅに比例した出力パルスを
発生するクランク角センサ２９の出力パルスは入力ボー
ト２５に入力される。アクセルペダル（図示せず）の開
度θＡに応じた出力電圧を発生するアクセル開度センサ
３０の出力電圧はＡ／Ｄコンバータ３１を介して入力ボ
ート２５に人力される。一方、各燃料噴射弁５は各駆動
回路３４から３７を介して出力ポート２６に接続される
。また高圧燃料ポンプ７は駆動回路３８を介して出力ポ
ート２６に接続される。

第２図に燃料噴射弁５の側面断面図を示す。第２図を参
照すると、４０はノズル５０内に挿入された二−ドノペ
４１は加圧ロッド、４２は可動プランジャ、４３はばね
収容室４４内に配置されかつニードル４０を下方に向け
て押圧する圧縮ばね、４５は加圧ピストン、４６はピエ
ゾ圧電素子、４７は可動プランジャ４２の頂部とピスト
ン４５間に形成されかつ燃料で満たされた加圧室、４８
はニードル加圧室を夫々示す。ニードル加圧室４８は燃
料通路４９および枝管１４を介して高圧用リザーバタン
ク６　（第１図）に連結され、従って高圧用リザーバタ
ンク６内の高圧燃料が枝管１４および燃料通路４９を介
してニードル加圧室４８内に供給される。ピエゾ圧電素
子４６に電荷がチャージされるとピエゾ圧電素子４６が
伸長し、それによって加圧室４７内の燃料圧が高められ
る。

その結果、可動プランジャ４２が下方に押圧され、ノズ
ル口５３は、ニードル４０によって閉弁状態に保持され
る。一方、ピエゾ圧電素子４６にチャージされた電荷が
ディスチャージされるとピエゾ圧電素子４６が収縮し、
加圧室４７内の燃料圧が低下する。その結果、可動プラ
ンジャ４２が上昇するためにニードル４０が上昇し、ノ
ズル口５３から燃料が噴射される。

第３図を参照すると、６０はシリンダブロック、６１は
シリンダヘッド、６２はピストン、６３はピストン６２
の頂面に形成された凹状燃焼室、６４はピストン６２頂
面とシリンダヘッド６１内壁面間に形成されたシリンダ
室、６５はピストン６２の上死点時開状燃焼室６３内に
位置するように配設された点火栓を夫々示す。燃料噴射
弁５は凹状燃焼室６３内に燃料噴射可能にシリンダ室６
４内に斜め下方を指向して配置される。

燃焼室６３は、上部側の大径の浅皿部６６と、浅皿部６
６の中央部に形成された下部側の深皿部６７との二重構
造に構成され、深皿部６７は浅皿部６６よりも小径に形
成されている。深皿部６７の内周面には、燃料噴射弁５
からの噴射燃料を点火プラグ６５とのギャップ位置へと
導く溝が設けられている。

機関の運転状態に応じて算出される要求燃料噴射量Ｑは
、吸気行程噴射と圧縮行程噴射とに分割して噴射される
（第４図参照）。吸気行程において、燃焼室６３内を指
向して噴射された燃料は燃焼室６３内壁面に一旦付着し
た後蒸発して予混合気を形成する。吸気行程において噴
射された燃料は、燃料噴射から点火までの時間を長くと
ることができる。このため、吸気行程において噴射され
た燃料は十分蒸発して予混合気を形成し燃焼室６３およ
びシリンダ室６４内に拡散する。

燃料噴射弁５は、圧縮行程噴射において、噴射時期が早
い場合には噴射燃料が浅皿部６６内に噴射せしめられる
ように、一方、噴射時期が遅くピストン６２がさらに上
昇している場合には深皿部６７内に噴射せしめられるよ
うに配設されている。

圧縮行程噴射における高負荷運転域では、燃料噴射弁５
から噴射された燃料のうち、初期に噴射されたものは、
上部燃焼室すなわち浅皿部６６の壁面に付着したのち、
スワール流あるいはスキッシュ流とともに浅皿部６６内
を流動しながら蒸発、拡散、混合される。

一方、後期に噴射された噴射燃料は、下部燃焼室すなわ
ち深皿部６７の壁面に付着した後、スキッシュ流、スワ
ール流とともに該深皿部６７内を流動し、その一部は燃
焼室６３の内壁に設けられた溝に沿って点火プラグ６５
のギャップ位置まで導かれる。点火プラグ６５により点
火されると、点火により発生した火災は、スワールに乗
って深皿部６７内を拡散し、またその一部はピストン６
２の移動に伴って発生する逆スキッシュ流により、浅皿
部６６側に導かれる。その結果、初期に噴射され浅皿部
６６に滞留していた燃料および吸気行程噴射により形成
された予混合気が燃焼を開始し、浅皿部６６においても
深皿部６７と同様の空気流動に伴う火災の拡散が行われ
、一部は燃焼室６３外へ出て、デッドボリュー・ム内の
予混合気も利用しながら燃焼が完了する。

また、圧縮行程噴射における軽負荷運転域においては、
深皿部６７に燃料が噴射され、少量の噴射燃料が小さな
容積内で蒸発され、過薄とならないよう局所的に空燃比
が適正なレベルに保たれて着火され、この火災が予混合
気にも伝播して良好な燃焼が得られる。

次に本実施例の動作を第５図を参照しつつ説明する。第
５図に示されるルーチンは一定クランク角毎の割り込み
によって実行される。

第５図を参照すると、まずステップ７０において機関回
転数ＮＥおよびアクセル開度θＡが読み込まれる。続い
てステップ７１では、第６図に示すマツプ１より、アク
セル開度θＡおよび機関回転数ＮＥに基づいて要求燃料
噴射量Ｑが算出される。第６図に示されるようにＱはθ
ＡおよびＮＥが増大するにつれて増大する。ステップ７
２では現時点より過去ｎ回噴射分（例えば約１分間）の
平均燃料噴射量ＱＡｖを次式より算出する。

ここでＴ１はｉ回目の燃料噴射の燃料噴射時間、Ｐは燃
料圧力（一定）、ｋはＴ−Ｐを燃料噴射量に換算するた
めの係数を示す。ＱＡｖは機関定常運転時における燃料
噴射量（負荷）と仮定される。

ステップ７３では要求燃料噴射量ＱがＱＡＶ＋Ｅ以上か
否か判定され、ステップ７４ではＱがＱＡＶＥ以下か否
か判定される。ここでＥは定数であり、ＱＡｖに所定の
範囲をもたせることによってハンチングを防止している
。また、緩減速、緩加速では比較的筒内温度の追従性が
良いため緩加速、緩減速に相当する所定値以下の噴射量
変化に対しては定常状態とみなすように定めて過補償を
防止している。また、Ｅをハンチング防止分程度の大き
さにしてＱとＱＡｖの偏差に応じてマツプ３、マツプ４
のＣの値を補正して偏差が大きいほどＣの変更量を大き
くしても上述と同様の効果が得られる。

ステップ７３およびステップ７４で否定判定された場合
、すなわち燃料噴射量ＱがＱＡＶ　　ＥとＱＡｖ十Ｅの
範囲内にあるとき、定常運転時の燃料噴射量ＱＡｖに比
べて今回の要求燃料噴射ｆｉＱはほとんど変化せず、従
って過渡的な運転状態でないと判定され、ステップ７５
に進む。ステップ７５ではマツプ２　（第７図）から燃
料噴射比Ｃが要求燃料噴射量Ｑに基づいて算出される。

燃料噴射比Ｃは、圧縮行程燃料噴射ｉＱ。に対する吸気
行程燃料噴射量Ｑ、の比を示しており次式により算出さ
れる。

第７図は大きな負荷変動のない機関定常運転時における
要求燃料噴射ｉＱと燃料噴射比Ｃとの関係を示しており
、Ｑが増大するにつれてＣは直線的に増大する。

ステップ７３で肯定判定された場合、すなわち負荷が増
大する過渡的な運転時（増大過渡運転時）の場合にはス
テップ７６に進み、マツプ３　（第８図）から燃料噴射
比Ｃが要求燃料噴射ｉＱに基づいて算出される。第８図
は負荷が増大する過渡的な機関運転時におけるＱとＣと
の関係を示しており、Ｑが増大するにつれて上方に凸状
の曲線に沿ってＣが増大する。同じＱの値に対応するマ
ツプ３のＣの値とマツプ２　（第７図）のＣの値を比較
すると、マツプ３のＣの値の方がマツプ２のＣの値より
常に大きい。

定常運転状態から負荷が増大して燃料噴射量が増大して
も、筒内温度は燃料噴射量の増大に追従して上昇するこ
とができないため、筒内温度は増大した燃料噴射量に対
応する定常時筒内温度よりも過渡的に低くなってしまう
。このような運転状態においても、定常運転時と同じの
燃料噴射比Ｃで燃料を噴射すると、燃料の蒸発が不十分
となり、スモークの発生および出力の低下を招く。

そこで負荷の増大する過渡的な運転状態においては、燃
料噴射比Ｃを定常運転時におけるＣより増大せしめ、燃
料が蒸発する時間を長くとることができる吸気行程噴射
の割合を増大せしめている。

これにより十分な蒸発霧化時間を確保して良好な混合気
を形成することができ、斯くして良好な燃焼を得ること
ができる。

一方、ステップ７４で肯定判定された場合、すなわち負
荷が減少する過渡的な運転時（減少過渡運転時）の場合
にはステップ７７に進み、マツプ４（第９図）から燃料
噴射比Ｃが要求燃料噴射量Ｑに基づいて算出される。第
９図は負荷が減少する過渡的な機関運転時におけるＱと
Ｃとの関係を示しており、Ｑが増大するにつれて下方に
凸状の曲線に沿ってＣが増大する。マツプ４のＣの値は
、同じＱの値に対応するマツプ２　（第７図）のＣの値
より常に小さい。

定常運転状態から負荷が減少して燃料噴射量が減少して
も、筒内温度は燃料噴射量の減少に追従して低下するこ
とができないため、筒内温度は減少した燃料噴射量に対
応する定常時筒内温度よりも過渡的に高くなってしまう
。このような運転状態においても、定常運転時と同じ燃
料噴射比Ｃで燃料を噴射すると混合気形成が早められ、
このため混合気が形成されてから点火されるまでの時間
が長くなり、混合気が空気流に流されて過薄領域が発生
し燃焼が不安定になる。

そこでこのように負荷の減少する過渡的な運転状態にお
いては、燃料噴射比Ｃを定常運転時におけるＣより減少
せしめ吸気行程噴射の割合を減少せしめている。これに
より混合気形成が早すぎることによる燃焼不安定やノッ
キングを防止できる。

ステップ７８では吸気行程燃料噴射量Ｑ１が、ステップ
７９では圧縮行程燃料噴射量Ｑｃが夫々次式により算出
される。

ステップ８０ではマツプ５（第１０図）からＱ＋および
Ｑｃに基づいて、吸気行程燃料噴射時間Ｔ。

および圧縮行程燃料噴射時間Ｔ。が算出される。

第１０図に示されるように、Ｔ工およびＴ。はＱ。

聡よびＱ。が増大するにつれて直線的に増大する。

ステップ８１ではマツプ６　（第１１図）からＱｌおよ
びＱ。に基づいて、吸気行程燃料噴射開始時期ＴＳ、お
よび圧縮行程燃料噴射開始時期ＴＳ。

が算出される。第１１図は、吸気行程および圧縮行程燃
料噴射ＩＱＩ、Ｑｃと、圧縮上死点からの噴射進角で示
した吸気行程および圧縮行程燃料噴射開始時期ＴＳ＋、
ＴＳｃとの関係を夫々示している。吸気行程噴射では燃
料霧化時間を十分に長くとれるため、Ｔ　Ｓ　ｒはＱｒ
に無関係に一定クランク角である。一方、圧縮行程噴射
では、ＴＳｃはＱｃの増大につれて増大し、より早い時
期に噴射開始される。これは、Ｑｃが大きい程燃料噴射
時間Ｔｃが大きいからである。以上のステップの後本ル
ーチンを終了し、図示しない他のルーチンによって燃料
噴射が実行される。

なお、ステップ７３．７４で過度運転であると判定され
てから所定期間Ｃの変更を継続させる制御としてよい。

また、本実施例では、定常運転、減少および増大過渡運
転の判断を燃料噴射量に基づいて行ったが、アクセル開
度θＡに基づいて判断してもよい。

また本実施例では減少および増大過度運転時の両方にお
いて燃料噴射比を変化させているが、機関冷却系や燃料
噴射量自体、あるいは吸気系の制御等によりどちらか一
方の過度時での問題が少ない場合には、減少または増大
過度運転時のどちらか一方の場合にだけ燃料噴射比を本
実施例のように変化させてもよい。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば減少過渡運転時においては
混合気形成が抑制され、混合気形成が早すぎることによ
る燃焼の不安定やノッキングを防止することができる。

一方、増大過渡運転時においては混合気形成が促進され
、混合気形成の遅れによるスモークの発生や出力の低下
を防止して良好な燃焼が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を採用した４気筒筒内直接噴
射式火花点火機関の全体構成図、第２図は燃料噴射弁の
縦断面図、第３図は機関本体の縦断面図、第４図は燃料
噴射時期を示す図、第５図は本発明の実施例を実行する
ためのフローチャート、第６図は機関回転数をパラメー
タとしてアクセル開度と要求燃料噴射量との関係を示す
線図、第７図から第９図は要求燃料噴射量Ｑと燃料噴射
比Ｃとの関係を示す線図で、第７図は定常運転時のＱと
Ｃの関係を示す線図、第８図は増大過渡運転時のＱとＣ
の関係を示す線図、第９図は減少過渡運転時のＱとＣの
関係を示す線図、第１０図は吸気行程および圧縮行程燃
料噴射量と吸気行程および圧縮行程燃料噴射時間との関
係を示す線図、第１１図は吸気行程および圧縮行程燃料
噴射量と吸気行程および圧縮行程燃料噴射開始時期との
関係を示す線図である。 １・・・機関本体１．　　５・・・燃料噴射弁、２０・
・・電子制御ユニット、 ６３・・・燃焼室。 カ氏 才 丘］ ｈ〜 図 第 図 ↑ マツプ４ ；、？９　口 ■＋　　Ｑｃ 第１０図 Ｑ＋Ｑｃ 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　機関運転状態に応じた要求燃料噴射量を、吸気行程と
   圧縮行程とに分割噴射する筒内直接噴射式火花点火機関
   において、負荷が減少する減少過渡運転時に、圧縮行程
   燃料噴射量に対する吸気行程燃料噴射量の比である燃料
   噴射比を前記減少過渡運転時と同一負荷の定常運転時の
   燃料噴射比より小さくせしめるか、又は負荷が増大する
   増大過渡運転時に、燃料噴射比を前記増大過渡運転時と
   同一負荷の定常運転時の燃料噴射比より大きくせしめる
   ようにした筒内直接噴射式火花点火機関。