JP4155184B2 - In-cylinder internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、筒内噴射式内燃機関に関し、詳細には、ピストンの冠面にキャビティを設けるとともに、燃料供給用のインジェクタをこのキャビティの中央部上方に設置した筒内噴射式内燃機関に関する。 The present invention relates to a direct injection internal combustion engine, and more particularly, to a direct injection internal combustion engine in which a cavity is provided in a crown surface of a piston and a fuel supply injector is installed above a central portion of the cavity.
燃料供給用のインジェクタを燃焼室に臨ませて設置し、所定の運転領域での燃焼に際し、このインジェクタにより圧縮行程中に燃料を噴射させ、混合気を層状に形成する内燃機関が知られている。この筒内噴射式内燃機関によれば、低負荷域及び中負荷域で混合気を層状化することで、これらの運転領域での燃料消費量を大幅に削減することができる。混合気を層状化して行う成層燃焼では、着火性を確保するため、燃料の噴霧を点火プラグ周りに集中させて混合気塊を形成することが必要である。 There is known an internal combustion engine in which an injector for supplying fuel is installed facing a combustion chamber and fuel is injected during the compression stroke by the injector during combustion in a predetermined operation region to form a mixture in a layered manner. . According to this direct injection internal combustion engine, the fuel consumption in these operating regions can be significantly reduced by stratifying the air-fuel mixture in the low load region and the medium load region. In stratified combustion performed by stratifying the air-fuel mixture, it is necessary to concentrate the fuel spray around the spark plug to form an air-fuel mixture mass in order to ensure ignitability.
従来、筒内噴射式内燃機関として、次のものが知られている。すなわち、ピストンの冠面にキャビティが形成されるとともに、シリンダヘッドにおいて、このキャビティの中央部上方に、ピストンの冠面に対向させてインジェクタが設置されたものである。このものによれば、インジェクタにより噴射された燃料の噴霧(以下、単に「噴霧」という。)をキャビティの壁面に沿って案内して、点火プラグに向かう噴霧の循環流を形成し、この循環流により拡散を抑制しつつ、噴霧を点火プラグ周りに集中させることができる(特許文献1)。
しかしながら、上記の筒内噴射式内燃機関には、次のような問題がある。すなわち、成層燃焼では、供給される燃料の量に対して適切な大きさの混合気塊を形成し、混合気塊の空燃比を全体として適度なものとすることが望まれる。燃料供給量に対して混合気塊が小さ過ぎるときは、混合気塊が全体として過濃となって、炭化水素(以下「HC」という。)及び一酸化炭素(以下「CO」という。)の増加や、燃焼温度の上昇による窒素酸化物(以下「NOx」という。)の生成の原因となり、他方、燃料供給量に対して混合気塊が大き過ぎるときは、混合気塊が全体として希薄となって、着火性が低下し、失火によるHC及びCOの増加の原因となるからである。ここで、形成される混合気塊の大きさは、噴霧を案内するキャビティの形状及び容積によりほぼ決定される。キャビティの形状等を低負荷時に適合させて設定した場合は、小さな混合気塊が形成されるため、高負荷時に混合気塊が過濃となり、高負荷時に適合させて設定した場合は、大きな混合気塊が形成されるため、低負荷時に混合気塊が希薄となる傾向にある。 However, the above-described cylinder injection internal combustion engine has the following problems. That is, in stratified combustion, it is desired to form an air-fuel mixture having an appropriate size with respect to the amount of fuel supplied, and to make the air-fuel ratio of the air-fuel mixture as a whole moderate. When the air-fuel mass is too small relative to the fuel supply amount, the air-fuel mass becomes excessively concentrated as a whole, and hydrocarbons (hereinafter referred to as “HC”) and carbon monoxide (hereinafter referred to as “CO”). If the air-fuel mixture volume is too large relative to the amount of fuel supplied, the air-fuel mixture volume becomes dilute as a whole, which causes generation of nitrogen oxides (hereinafter referred to as “NOx”) due to an increase in combustion temperature. This is because the ignitability is lowered, which causes an increase in HC and CO due to misfire. Here, the size of the air-fuel mixture formed is substantially determined by the shape and volume of the cavity for guiding the spray. When the shape of the cavity is set to suit the low load, a small air-fuel mixture is formed. Since air mass is formed, the air-fuel mixture tends to become lean at low load.
本発明は、高負荷時における過濃混合気の形成を回避するとともに、低負荷時における着火性を確保して、広い運転領域でエミッションが少なく、かつ安定した成層燃焼を可能とすることを目的とする。 An object of the present invention is to avoid the formation of a rich mixture at the time of a high load, ensure the ignitability at the time of a low load, and to enable stable stratified combustion with less emission in a wide operation range. And
本発明に係る筒内噴射式内燃機関は、
冠面中央部にキャビティを有するピストンと、
キャビティの中央部上方に位置し、かつ全体としての噴射方向がピストンの移動方向と平行であるとともに、各噴孔からの噴霧が周方向の所定の位置へ向かう多噴孔のインジェクタと、
インジェクタにより噴射された燃料を着火させるための点火プラグと、
インジェクタの動作を制御するコントローラと、
を含んで構成され、
上記ピストンの上記キャビティは、第1の壁部によって全周を囲まれており、このキャビティの底面の周方向の一部には、一部の噴孔からの噴霧に対向するようにピストン平面で見て扇状をなす第2の壁部が該底面から局部的に隆起しており、この第2の壁部の内周側の壁面は上記第1の壁部よりもキャビティの中央部に近い位置に位置し、
上記コントローラは、インジェクタの噴射時期として、一部の噴孔からの噴霧が上記第2の壁部よりも内側の部分へ向かうようにクランク角に関して比較的に遅い圧縮行程中の第1の噴射時期と、上記噴霧がキャビティ内の上記第2の壁部よりも外側の部分へ向かうように上記第1の噴射時期よりも早い圧縮行程中の第2の噴射時期と、を設定し、これらの噴射時期をエンジンの運転状態に応じて切り換える、ことを特徴とする。
A cylinder injection type internal combustion engine according to the present invention includes:
A piston having a cavity in the center of the crown surface;
A multi-hole injector located above the central portion of the cavity and having the injection direction as a whole parallel to the direction of movement of the piston, and spray from each injection hole toward a predetermined position in the circumferential direction;
A spark plug for igniting the fuel injected by the injector;
A controller for controlling the operation of the injector;
Comprising
The cavity of the piston is entirely surrounded by a first wall portion, and a part of the bottom surface of the cavity in the circumferential direction is a piston plane so as to face spray from a part of the nozzle holes. A second wall portion having a fan-like shape is locally raised from the bottom surface, and the wall surface on the inner peripheral side of the second wall portion is closer to the center portion of the cavity than the first wall portion. Located in
The controller sets the first injection timing during the compression stroke that is relatively slow with respect to the crank angle so that the spray from some of the injection holes is directed to the inner portion of the second wall as the injection timing of the injector. And a second injection timing during a compression stroke earlier than the first injection timing so that the spray is directed to a portion outside the second wall portion in the cavity, and these injections are set. The timing is switched according to the operating state of the engine.
本発明によれば、キャビティの形状等を高負荷時に適合させ、比較的に大きな混合気塊が形成されるようにすることで、成層燃焼による運転に際し、高負荷時には、過濃混合気の形成を回避し、混合気塊の空燃比を全体として適度なものとすることができる。他方、低負荷時には、混合気塊自体は大きなものとなるが、第2の壁部により噴霧の一部を案内して、キャビティ自体による場合とは異なる方向に向かわせることができるので、その方向に点火プラグを配置することで、点火プラグ周りに噴霧を分布させ、着火性を確保することができる。 According to the present invention, by adjusting the shape of the cavity and the like at the time of high load so that a relatively large air-fuel mixture mass is formed, in the operation by stratified combustion, at the time of high load, formation of the rich mixture Thus, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture can be made moderate as a whole. On the other hand, when the load is low, the air-fuel mixture itself becomes large, but a part of the spray can be guided by the second wall portion and can be directed in a different direction from the case of the cavity itself. By disposing the spark plug, the spray can be distributed around the spark plug and the ignitability can be ensured.
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る筒内噴射式内燃機関(以下「エンジン」という。)1の構成を示している。
シリンダブロック11には、ピストン12が挿入されており、ピストン12の冠面とシリンダヘッド13の下面との間に形成される空間が、燃焼室14となる。シリンダヘッド13には、気筒中心軸mを基準とした一側に吸気ポート15が形成されており、吸気ポート15は、図示しない吸気マニホールドと接続して、吸気通路を形成している。吸気ポート15は、吸気弁16により開放及び遮断される。一方、気筒中心軸mを基準とした他側に排気ポート17が形成されており、排気ポート17は、図示しない排気マニホールドと接続して、排気通路を形成している。排気ポート17は、排気弁18により開放及び遮断される。吸気弁16及び排気弁18は、吸気カム19及び排気カム20により夫々駆動される。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows the configuration of a direct injection internal combustion engine (hereinafter referred to as “engine”) 1 according to an embodiment of the present invention.
A
また、シリンダヘッド13には、燃焼室14の上部略中央に臨ませて燃料供給用のインジェクタ21が設置されるとともに、このインジェクタ21に隣接させて点火プラグ22が設置されている。
本実施形態では、インジェクタ21は、気筒中心軸m上に設置されている。インジェクタ21は、先端のノズル部において、周方向に複数の噴孔が設けられたマルチホール型のインジェクタであり、各噴孔から噴射された燃料は、全体として中空のコーン状噴霧を形成する。このコーンの中心線がインジェクタ21の噴射方向線に相当し、この噴射方向線は、気筒中心軸mと平行に設定されている(本実施形態では、噴射方向線と気筒中心軸mとが一致している。)。なお、ここでいう「平行」とは、完全な平行に限らず、実質的な平行を含む概念である。すなわち、噴射方向線は、気筒中心軸mと平行又はこれに近い状態にあり、キャビティ121により噴霧を案内して、点火プラグ22に向かう噴霧の循環流を形成するという、後述する作用が得られる状態にあればよい。インジェクタ21へは、燃料ポンプ23により加圧された燃料が、燃料配管24を介して規定圧力で供給される。燃料ポンプ23は、エンジン1の出力により駆動される。
The
In the present embodiment, the
ピストン12の冠面には、噴霧を案内するためのキャビティ121が形成されている。このキャビティ121は、気筒中心軸mに垂直な平面による断面で、円形に形成されており、その中心は、気筒中心軸mと一致している。キャビティの底面121aは、気筒中心軸mに垂直な面内で平坦に形成されており、周壁面121bは、気筒中心軸mとほぼ平行に形成され、底面121aに対し、適度な曲面により滑らかに接続されている。
A
また、ピストン12の冠面には、キャビティ121内において、キャビティの底面121aを基準として高さhを持たせて形成されたガイド壁123が設けられている。このガイド壁123により、噴霧の一部がキャビティ121によるものとは異なる経路で案内される。ここで、ピストン12のうち、キャビティの周壁面121bを内面とする壁部(以下「冠面外周部」という。)125が「第1の壁部」に、ガイド壁123が「第2の壁部」に相当する。
In addition, a
図2(a)は、ピストン12を気筒中心軸mに沿って上方から見た状態を示しており、同図(b),(c)は、ピストン12のA−A線断面及びB−B線断面を示している。
本実施形態では、ピストン12の冠面において、キャビティ121内にガイド壁123を設け、噴霧の一部をこのガイド壁123により、それ以外の噴霧をキャビティ121により案内することを可能としている。
FIG. 2A shows a state in which the
In the present embodiment, a
ガイド壁123は、キャビティ121内において、気筒中心軸mを中心として概略扇状に形成されており、インジェクタ21の各噴孔の中心軸a1〜a4のうち、所定のもの(ここでは、a2)を基準として線対称に設けられている。ガイド壁123は、気筒中心軸mを中心とした周方向に垂直な面内で形成された側面(第2の壁部の「端縁」を形成する。)123b,123bを有し、これらの側面123b,123bで周方向に終結している。側面123b,123bは、キャビティの底面121aに対して直角に接続している。他方、ガイド壁の内周側の壁面つまり内面123aは、気筒中心軸mに垂直な平面による断面で弧状に形成されるとともに、キャビティの底面121aに対し、気筒中心軸mからの距離が底面121aに近い位置ほど長くなるように、90°未満の角度で傾斜させて形成されている。なお、内面123aは、気筒中心軸mと平行に形成してもよい。また、内面123aは、キャビティの底面121aに対し、適度な曲面により滑らかに接続されている。点火プラグ22は、噴孔の中心軸a2上で、ガイド壁123よりも気筒中心軸mに近い位置に設置されており、内面123aの具体的な形状は、インジェクタ21の設置点(気筒中心軸mと一致する。)及び点火プラグ22の設置点Pを焦点とする楕円の一部を形成するものであるとよい。ガイド壁123の高さhは、周方向に一定であり、キャビティ121の深さdよりも小さな値に設定されている。ガイド壁の上面123cは、気筒中心軸m(すなわち、キャビティの中央部)から離れるに従いガイド壁123の高さhが減少するように、キャビティの底面121aに対して傾斜させて形成されている。ガイド壁123の半径方向外側の端縁は、キャビティの周壁面121bに対し、適度な曲面により滑らかに接続されている。
The
図1に戻り、エンジン1の運転は、コントロールユニット(以下「ECU」という。)31により統合的に制御される。エンジン1には、吸入空気量QMを検出するエアフローメータ41からの信号、クランク角センサ42からの信号(これをもとに、エンジン回転数NEを算出する。)、及び冷却水温度Twを検出する温度センサ43からの信号等が入力される。ECU31は、これらの信号をもとに、インジェクタ21の燃料噴射量及び噴射時期、並びに点火プラグ22の点火時期を演算し、設定する。
Returning to FIG. 1, the operation of the
本実施形態では、エンジン1の運転状態に応じ、拡散燃焼と成層燃焼との間で燃焼形態を切り換える。拡散燃焼では、空燃比を理論空燃比に設定するとともに、燃料噴射時期を吸気行程中に設定し、噴霧を燃焼室14全体に拡散させて混合気を形成する。成層燃焼では、空燃比を理論空燃比よりも大きな値に設定するとともに、燃料噴射時期を圧縮行程中に設定し、点火プラグ22近傍の領域に噴霧を集中させ、混合気を層状に形成する。
In the present embodiment, the combustion mode is switched between diffusion combustion and stratified combustion in accordance with the operating state of the
なお、インジェクタ21から噴霧中心線(すなわち、気筒中心軸m)を基準とした周方向の各位置に向けて向けて噴射される燃料の、燃料噴射量全体に占める割合(以下「噴射量割合」という。)rは、周方向で均一にしてもよいが、本実施形態では、これを周方向で異ならせ、ガイド壁123に向けて噴射される燃料を、それ以外の燃料よりも多くしている。マルチホール型のインジェクタ21では、一部の噴孔(ここでは、中心軸a2のもの)の径をそれ以外の噴孔の径とは異ならせることで、容易に噴射量割合を調節することが可能であり、前者の噴孔の径を後者の噴孔の径よりも大きな値に設定することで、ガイド壁123に向けて噴射される燃料を多くすることができる。ガイド壁123に向けて噴射された噴霧は、ガイド壁123により受け止められて上方へ案内され、点火プラグ22へ向かう。
In addition, the ratio (hereinafter referred to as “injection amount ratio”) of the fuel injected from the
次に、ECU31の動作について、フローチャートにより説明する。
図3は、燃料噴射制御ルーチンのフローチャートである。このルーチンは、イグニッションスイッチがオンされることにより起動され、その後、所定の時間毎に実行される。このルーチンでは、運転状態に応じた燃焼形態が選択されるとともに、選択された燃焼形態のもと、燃料噴射量Qf及び燃料噴射時期ITが設定される。
Next, the operation of the
FIG. 3 is a flowchart of a fuel injection control routine. This routine is started when the ignition switch is turned on, and then executed every predetermined time. In this routine, the combustion mode corresponding to the operating state is selected, and the fuel injection amount Qf and the fuel injection timing IT are set based on the selected combustion mode.
S101では、吸入空気量QM、エンジン回転数NE及び冷却水温度Tw等、各種の運転状態を読み込む。
S102では、エンジン1の運転状態が属する領域を判定する。この判定は、回転速度(例えば、エンジン回転数NE)及び負荷(例えば、一回転毎の吸入空気量=QM/NE)により図4に示すマップを検索し、エンジン1の運転状態が負荷に応じた領域A〜Cのいずれに属するかを判定することにより行う。負荷が低い領域Aに属するときは、S103へ進み、負荷が高い領域Cに属するときは、S105へ進む。これらの領域A,Cの中間の領域Bに属するときは、S104へ進む。
In S101, various operation states such as the intake air amount QM, the engine speed NE, and the cooling water temperature Tw are read.
In S102, the region to which the operating state of the
S103では、一度噴き成層燃焼モードを選択し、図5に示すフローチャートに従い燃料噴射量Qf及び燃料噴射時期ITを設定する。
S104では、二度噴き成層燃焼モードを選択し、図7に示すフローチャートに従い燃料噴射量Qf等を設定する。
S105では、拡散燃焼モードを選択し、図10に示すフローチャートに従い燃料噴射量Qf等を設定する。
In S103, the injection stratified combustion mode is selected once, and the fuel injection amount Qf and the fuel injection timing IT are set according to the flowchart shown in FIG.
In S104, the double injection stratified combustion mode is selected, and the fuel injection amount Qf and the like are set according to the flowchart shown in FIG.
In S105, the diffusion combustion mode is selected, and the fuel injection amount Qf and the like are set according to the flowchart shown in FIG.
図5に示すフローチャートにおいて、S201では、燃料噴射量Qfを演算する。一度噴き成層燃焼モードでは、空燃比が理論空燃比よりも大きな値に設定され、燃料噴射量Qfは、次式により算出される。なお、kを理論空燃比相当の燃料噴射量を与える係数とし、LAMBを当量比とし、COEFを冷却水温度Tw等に応じた増量補正係数とする。
Qf=k×(QM/NE)×LAMB×COEF ・・・(2)
S202では、燃料噴射時期(「第1の噴射時期」に相当する。)ITを設定する。燃料噴射時期ITは、圧縮行程中の比較的に遅い時期に、負荷が低いときほど遅角させて設定される(図6)。設定されたITにおいて、燃料は、キャビティ121のうち、ガイド壁の内面123aよりも内側に向けて噴射される。
In the flowchart shown in FIG. 5, in S201, the fuel injection amount Qf is calculated. In the once-injection stratified combustion mode, the air-fuel ratio is set to a value larger than the stoichiometric air-fuel ratio, and the fuel injection amount Qf is calculated by the following equation. Note that k is a coefficient that gives a fuel injection amount corresponding to the theoretical air-fuel ratio, LAMB is an equivalence ratio, and COEF is an increase correction coefficient corresponding to the coolant temperature Tw and the like.
Qf = k × (QM / NE) × LAMB × COEF (2)
In S202, fuel injection timing (corresponding to “first injection timing”) IT is set. The fuel injection timing IT is set to be retarded at a relatively late time during the compression stroke as the load is low (FIG. 6). In the set IT, the fuel is injected inward of the
図7に示すフローチャートにおいて、S301では、燃料噴射量Qfを演算する。二度噴き成層燃焼モードでは、空燃比が理論空燃比よりも大きな値に設定され、負荷に応じた量の燃料が2回に分けて噴射される。燃料噴射量Qfは、(2)式により算出され、算出されたQfは、1サイクル当たりに噴射される燃料の総量を示す。
S302では、先の燃料噴射で噴射する燃料の量(以下「一度目噴射量」という。)Q1を設定する。一度目噴射量Q1は、燃料噴射量Qfに所定の割合RTOを乗算して算出する。
In the flowchart shown in FIG. 7, in S301, the fuel injection amount Qf is calculated. In the double injection stratified combustion mode, the air-fuel ratio is set to a value larger than the stoichiometric air-fuel ratio, and an amount of fuel corresponding to the load is injected in two portions. The fuel injection amount Qf is calculated by equation (2), and the calculated Qf indicates the total amount of fuel injected per cycle.
In S302, the amount of fuel injected in the previous fuel injection (hereinafter referred to as “first injection amount”) Q1 is set. The first injection amount Q1 is calculated by multiplying the fuel injection amount Qf by a predetermined ratio RTO.
Q1=Qf×RTO ・・・(3)
S303では、先の燃料噴射を開始する時期(以下「一度目噴射時期」といい、「第2の噴射時期」に相当する。)IT1を設定する。一度目噴射時期IT1は、圧縮行程中の比較的に早い時期に、負荷が低いときほど遅角させて設定される(図8)。設定されたIT1において、燃料は、キャビティ121のうち、ガイド壁の内面123aよりも外側に向けて噴射される。
Q1 = Qf × RTO (3)
In S303, the timing for starting the previous fuel injection (hereinafter referred to as “first injection timing”, which corresponds to “second injection timing”) IT1 is set. The first injection timing IT1 is set at a relatively early time during the compression stroke, with the angle being retarded as the load is low (FIG. 8). In the set IT1, the fuel is injected toward the outside of the
S304では、後の燃料噴射で噴射する燃料の量(以下「二度目噴射量」という。)Q2を設定する。二度目噴射量Q2は、燃料噴射量Qfから一度目噴射量Q1を減算して算出する。
Q2=Qf−Q1・・・(4)
S305では、後の燃料噴射を開始する時期(以下「二度目噴射時期」といい、「第3の噴射時期」に相当する。)IT2を設定する。二度目噴射時期IT2は、圧縮行程中の、一度目噴射時期IT1よりも遅い時期に、負荷が低いときほど遅角させて設定される(図9)。設定されたIT2において、燃料は、キャビティ121のうち、ガイド壁の内面123aよりも内側に向けて噴射される。
In S304, the amount of fuel to be injected in the subsequent fuel injection (hereinafter referred to as “second injection amount”) Q2 is set. The second injection amount Q2 is calculated by subtracting the first injection amount Q1 from the fuel injection amount Qf.
Q2 = Qf−Q1 (4)
In S305, the timing for starting the subsequent fuel injection (hereinafter referred to as "second injection timing" and corresponding to "third injection timing") IT2 is set. The second injection timing IT2 is set at a timing later than the first injection timing IT1 during the compression stroke, and is retarded as the load is low (FIG. 9). In the set IT2, the fuel is injected inward of the
図10に示すフローチャートにおいて、S401では、(2)式により燃料噴射量Qfを演算する。拡散燃焼モードでは、空燃比が理論空燃比に設定される。
S402では、燃料噴射時期ITを設定する。燃料噴射時期ITは、吸気行程中に設定される。
次に、以上の燃料噴射制御による混合気形成の概念について説明する。
In the flowchart shown in FIG. 10, in S401, the fuel injection amount Qf is calculated by the equation (2). In the diffusion combustion mode, the air-fuel ratio is set to the stoichiometric air-fuel ratio.
In S402, the fuel injection timing IT is set. The fuel injection timing IT is set during the intake stroke.
Next, the concept of air-fuel mixture formation by the above fuel injection control will be described.
図11は、一度噴き成層燃焼モード(領域A)による場合のうち、負荷が比較的に低いときのものを示しており、(a)が燃料噴射時期ITでの状態を、(b)が点火時期での状態を示している。
ここでの燃料噴射時期ITは、ガイド壁123の内側に向けて燃料が噴射される時期に設定されるが、領域Aのなかでも特に遅い時期に設定される。噴霧Sは、キャビティの底面121aに衝突し、この底面121aに沿って外向きに広がる。ここで、噴霧Sの一部は、ガイド壁123によりその内面123aに沿って上方へ案内されて、点火プラグ22ヘ向かう縦方向の循環流を形成する。燃料噴射時期ITが遅い時期に設定されることで、ガイド壁123に向けて噴射されたもの以外の噴霧Sがキャビティ121内に保持され、拡散が進む前に点火時期を迎えることになる。点火時期には、キャビティ121内に噴霧Sが保持されるとともに、点火プラグ22周りに適度な空燃比で噴霧Sが分布した、比較的に小さな混合気塊Mが形成される。
FIG. 11 shows a case in which the load is relatively low in the case of the single injection stratified combustion mode (region A), where (a) shows the state at the fuel injection timing IT, and (b) shows ignition. It shows the state at the time.
The fuel injection timing IT here is set to a timing at which fuel is injected toward the inside of the
図12は、一度噴き成層燃焼モード(領域A)による場合のうち、負荷が比較的に高いときのものを示しており、(a)が燃料噴射時期ITでの状態を、(b)が点火時期での状態を示している。
ここでの燃料噴射時期ITは、ガイド壁123の内側に向けて燃料が噴射される時期に設定されるが、上記の低負荷時におけるよりも早い時期に設定される。噴霧Sは、キャビティの底面121aに衝突して外向きに広がり、特にガイド壁123に向けて噴射されたものが循環流を形成し、点火プラグ22ヘ向かうのは、前述同様である。ここでは、燃料噴射時期ITが比較的に早い時期に設定されることで、点火時期を迎えるまでにある程度の時間が確保されており、ガイド壁123に向けて噴射されたもの以外の噴霧Sも、キャビティの周壁面121bに沿って上方へ案内される。このため、点火時期には、キャビティ121内(ガイド壁123により流れが阻害される領域を除く。)及びその上方に噴霧Sが集中した、低負荷時におけるよりも大きな混合気塊Mが形成される。なお、ここで形成される混合気塊Mも、次のより高負荷域で形成される混合気塊Mよりは大きさが抑えられており、噴霧Sの過拡散が防止される。
FIG. 12 shows a case where the load is relatively high in the case of the single injection stratified combustion mode (region A), where (a) shows the state at the fuel injection timing IT, and (b) shows ignition. It shows the state at the time.
The fuel injection timing IT here is set to a timing at which fuel is injected toward the inside of the
図13は、二度噴き成層燃焼モード(領域B)による場合のものを示しており、(a)が一度目噴射時期IT1での状態を、(b)が二度目噴射時期IT2直前での状態を、(c)が二度目噴射時期IT2での状態を、(d)が点火時期での状態を示している。(a)〜(d)は、筒内の状態を時系列順に示している。
一度目噴射時期IT1は、圧縮行程中の比較的に早い時期に設定され、設定されたIT1において、燃料は、ガイド壁123の外側に向けて噴射される。噴霧S1は、キャビティの底面121a及びガイド壁の上面123cに衝突し、これらの面121a,123cに沿って外向きに広がるとともに、キャビティの周壁面121bに沿って上方へ案内されて、循環流を形成する。他方、二度目噴射時期IT2は、圧縮行程中の、一度目噴射時期IT1よりも遅い時期に設定され、設定されたIT2において、燃料は、ガイド壁123の内側に向けて噴射される。噴霧S2は、一度噴き成層燃焼モードによる場合と同様に、キャビティの底面121aに沿って案内されるとともに、一部がガイド壁123により案内されて循環流を形成し、点火プラグ22ヘ向かう。点火時期には、キャビティ121内全体及びその上方に噴霧Sが集中した、大きな混合気塊Mが形成される。
FIG. 13 shows the case of the double injection stratified combustion mode (region B), where (a) shows the state at the first injection timing IT1, and (b) shows the state immediately before the second injection timing IT2. (C) shows the state at the second injection timing IT2, and (d) shows the state at the ignition timing. (A)-(d) has shown the state in a cylinder in time series order.
The first injection time IT1 is set at a relatively early time during the compression stroke, and the fuel is injected toward the outside of the
本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
第1に、本実施形態では、キャビティ121内に、噴霧Sの一部を点火プラグ22に向けて積極的に案内するためのガイド壁123を設け、成層燃焼域において、低負荷時にはガイド壁123の内側を指向して、高負荷時にはガイド壁123の外側を指向して燃料を噴射することとした。キャビティ121自体により形成される混合気塊Mが大きなものとなるため、高負荷時に過濃混合気が形成されるのを回避することができる。他方、混合気塊Mが大きなものとなることで、低負荷時に混合気塊Mが全体として希薄となる傾向にあるが、ガイド壁123により噴霧Sの一部が点火プラグ22に向けて案内されるので、点火プラグ22周りに噴霧Sを適度な空燃比で分布させることが可能となり、着火性を確保することができる。
According to this embodiment, the following effects can be obtained.
First, in the present embodiment, a
第2に、ガイド壁123に側面123bを形成し、ガイド壁123の端縁に段差を設けることとしたので、ガイド壁123により案内される噴霧Sの、周方向への拡散を抑制することができる。このため、特に低負荷時において、点火プラグ22周りに噴霧Sを積極的に集中させることができる。
第3に、ガイド壁の内面123aを弧状に形成したことで、ガイド壁123に衝突した噴霧Sを上方(すなわち、点火プラグ22)ヘ向け、良好に案内することができる。内面123aの形状を、インジェクタ21及び点火プラグ22の各設置点を焦点とする楕円の一部とすることで、この効果がより良好なものとなる。
Secondly, since the
Thirdly, since the
第4に、インジェクタ21からガイド壁123に向けて噴射される燃料を、それ以外の方向に向けて噴射される燃料よりも多くすることで、点火プラグ22周りに燃料を集中させて、着火性を向上させることができる。
第5に、成層燃焼域のなかでも負荷が比較的に高い領域Bにおいて、負荷に応じた量の燃料を2回に分けて噴射することとし、先の燃料噴射はガイド壁123の外側を指向して、後の燃料噴射はガイド壁123の内側を指向して行うこととした。このため、混合気塊M自体は大きなものとして、過濃混合気の形成を回避するとともに、点火プラグ22周りの混合気が希薄となるのを防止して、着火性を確保することができる。
Fourth, by increasing the amount of fuel injected from the
Fifth, in the region B where the load is relatively high in the stratified combustion region, the amount of fuel corresponding to the load is injected in two portions, and the previous fuel injection is directed to the outside of the
次に、本発明の他の実施形態について説明する。
図14は、本実施形態に係るピストン12の構成を示しており、同図(a)は、ピストン12を気筒中心軸mに沿って上方から見た状態を、同図(b),(c)は、ピストン12のA−A線断面及びB−B線断面を示している。
本実施形態では、ガイド壁123の高さhが、噴孔の中心軸(ここでは、a2)から周方向に離れるに従い徐々に減少しており、ガイド壁123の端縁がキャビティの底面121aと同一面内に形成されている。このため、本実施形態では、ガイド壁123の端縁において、実質的な段差が形成されていない。また、本実施形態では、ガイド壁の上面123cの傾きを端縁に近い位置ほど増大させることで、内面123aの中央部面積を大きくし、噴霧Sを案内する機能を確保している。ガイド壁123が中心軸a2を基準として線対称に設けられる点、内面123aが弧状に形成される点、ガイド壁123の最大高さH(=h1)がキャビティ121の深さdよりも小さな値に設定される点等、ガイド壁123の端縁に段差が形成されないようにした点以外の構成は、先の実施形態におけると同様である。
Next, another embodiment of the present invention will be described.
FIG. 14 shows the configuration of the
In the present embodiment, the height h of the
本実施形態によれば、ガイド壁の上面123cをキャビティの底面121aに対して傾斜させ、ガイド壁123の端縁に段差が形成されないようにしたので(図14(d))、段差が形成される場合と比べ、ガイド壁123に衝突した噴霧Sの、周方向への拡散が許容される。このため、特に高負荷時において、ガイド壁123の案内により点火プラグ22周りに噴霧Sが過度に集中し、燃焼が不完全となるのを防止することができる。
According to this embodiment, the
以上では、インジェクタ21の噴射量割合を周方向で異ならせ、ガイド壁123に向けて噴射される燃料を、それ以外の方向に向けて噴射される燃料よりも多くすることとした。これとは逆に、後者の燃料を前者の燃料よりも多くすることで(換言すれば、ガイド壁123に向けて噴射される燃料を少なくすることで)、点火プラグ22周りに燃料が過度に集中するのを防止して、着火性を向上させることができる。
In the above, the injection amount ratio of the
1…エンジン、11…シリンダブロック、12…ピストン、121…キャビティ、121a…キャビティの底面、121b…キャビティの周壁面、123…第2の壁部としてのガイド壁、123a…ガイド壁の内面、123b…ガイド壁の側面、123c…ガイド壁の上面、125…第1の壁部としての冠面外周部、13…シリンダヘッド、14…燃焼室、15…吸気ポート、16…吸気弁、17…排気ポート、18…排気弁、21…インジェクタ、22…点火プラグ、31…コントロールユニット、41…エアフローメータ、42…クランク角センサ、43…冷却水温度センサ、S…噴霧、M…混合気塊、P…点火プラグの設置点、m…気筒中心軸。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
キャビティの中央部上方に位置し、かつ全体としての噴射方向がピストンの移動方向と平行であるとともに、各噴孔からの噴霧が周方向の所定の位置へ向かう多噴孔のインジェクタと、
インジェクタにより噴射された燃料を着火させるための点火プラグと、
インジェクタの動作を制御するコントローラと、
を含んで構成され、
上記ピストンの上記キャビティは、第1の壁部によって全周を囲まれており、このキャビティの底面の周方向の一部には、一部の噴孔からの噴霧に対向するようにピストン平面で見て扇状をなす第2の壁部が該底面から局部的に隆起しており、この第2の壁部の内周側の壁面は上記第1の壁部よりもキャビティの中央部に近い位置に位置し、
上記コントローラは、インジェクタの噴射時期として、一部の噴孔からの噴霧が上記第2の壁部よりも内側の部分へ向かうようにクランク角に関して比較的に遅い圧縮行程中の第1の噴射時期と、上記噴霧がキャビティ内の上記第2の壁部よりも外側の部分へ向かうように上記第1の噴射時期よりも早い圧縮行程中の第2の噴射時期と、を設定し、これらの噴射時期をエンジンの運転状態に応じて切り換える、ことを特徴とする筒内噴射式内燃機関。 A piston having a cavity in the center of the crown surface;
A multi-hole injector located above the central portion of the cavity and having the injection direction as a whole parallel to the direction of movement of the piston, and spray from each injection hole toward a predetermined position in the circumferential direction ;
A spark plug for igniting the fuel injected by the injector;
A controller for controlling the operation of the injector;
Comprising
The cavity of the piston is entirely surrounded by a first wall portion, and a part of the bottom surface of the cavity in the circumferential direction is a piston plane so as to face spray from a part of the nozzle holes. A second wall portion having a fan-like shape is locally raised from the bottom surface, and the wall surface on the inner peripheral side of the second wall portion is closer to the center portion of the cavity than the first wall portion. Located in
The controller sets the first injection timing during the compression stroke that is relatively slow with respect to the crank angle so that the spray from some of the injection holes is directed to the inner portion of the second wall as the injection timing of the injector. And a second injection timing during a compression stroke earlier than the first injection timing so that the spray is directed to a portion outside the second wall portion in the cavity, and these injections are set. A direct injection internal combustion engine characterized in that the timing is switched according to the operating state of the engine.
第3の噴射時期において、燃料は、キャビティのうち第2の壁部よりも内側の部分に向けて噴射される請求項1〜7のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関。 In the operating state in which the second injection timing is set, in addition to the second injection timing, a third injection timing during the compression stroke later than this is set, and the second and third injection timings per cycle. Each of the fuel is injected,
The in-cylinder injection internal combustion engine according to any one of claims 1 to 7 , wherein fuel is injected toward a portion of the cavity inside the second wall portion at the third injection timing.
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