JP4054223B2 - 筒内噴射型エンジンおよび筒内噴射型エンジンの制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、均一混合燃焼または成層燃焼を運転状態に応じて選択的に行う筒内噴射型エンジンおよびその制御方法に係り、特に、キャビティが頂面に形成されたピストンに対する燃焼室内への燃料の噴射形態および噴射タイミングの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、燃焼室内にインジェクタによって燃料を直接噴射するエンジン、すなわち、筒内噴射型エンジンが知られている。このタイプのエンジンは、燃料を素早く空気と混合させ、この可燃混合気を点火プラグ周りに形成することにより、リーンバーンによる燃費改善を図りつつ、低負荷低回転運転時の燃焼安定性を確保している。
【０００３】
この点に関して、例えば、特開平１１−２２３１２７号公報（先行例１）には、ペントルーフ型形状を有する燃焼室内のほぼ中央に点火プラグを配置し、ピストンの頂面にキャビティを吸気側に偏在させて凹設した構成が開示されている。この先行例１では、吸気ポート側のシリンダ壁近傍に配置されたインジェクタから噴射される燃料の噴射方向がシリンダの中心軸方向に対して斜め下方となるように傾斜させている。そして、燃料の噴霧形態が偏平で扇形をなすように形成することにより、燃料を燃焼室内に素早く分散させている。
【０００４】
一方、特開２０００−２６５８４２号公報（先行例２）および特開２０００−２４８９４４号公報（先行例３）には、ピストンの頂面に形成されたキャビティの燃料噴射方向に対面する内壁面をオーバーハング形状にした構造が開示されている。これらの先行例２，３では、キャビティ内壁面に燃料の噴霧塊が衝突した際、インジェクタのペネトレーションを利用して、キャビティ内にスワールを生起させる。これにより、燃料の噴霧塊が点火プラグの放電電極に向けて巻き上げ、特に、低速負荷時における点火プラグの放電電極周りの燃料濃度を局部的に高めることにより、失火を防止し、燃焼安定性の向上を図っている。
【０００５】
ところで、このような筒内噴射エンジンの燃焼形態には、均一混合燃焼と成層燃焼とがあり、運転状態に応じて、いずれかの燃焼形態が選択される。すなわち、通常走行運転時のようなエンジンの高負荷高回転運転領域、あるいは、ストイキオ領域では、燃焼室内に均質な混合気を形成して点火する均一混合燃焼が行われる。この場合、インジェクタによる燃料の噴霧は、吸気行程中に行われる。
【０００６】
一方、空燃比を非常に大きくする希薄燃焼領域（リーンバーン領域）、すなわち、アイドリング時のようなエンジンの低負荷低回転運転領域では、混合気の成層化により確実な着火を可能とする成層燃焼が行われる。この場合、インジェクタによる燃料の噴霧は、圧縮行程の後期において行われる。そして、インジェクタから噴射された燃料は、ピストンの頂面に形成されたキャビティに導入され、点火プラグの放電電極へと流れる。このため、この放電電極周辺に着火可能な混合気が層状に形成される。そして、これを適切なタイミングで点火して混合気を燃焼させる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した先行例１では、エンジンの高負荷高回転運転領域での均一混合燃焼において、燃料の分散性および空気利用率を十分に向上させることが困難である。すなわち、図１２に示すように、エンジン本体Ｅを構成するシリンダ１の燃焼室８内には、吸気側に配置したインジェクタ１２が臨み、このインジェクタ１２より、燃料が一塊の噴霧塊Ｆとなって噴射されている。また、ピストン４の頂面４ａには、キャビティ５がシリンダ１の中心軸Ｏから吸気側に偏在させて形成されている。そして、インジェクタ１２による燃料の噴射方向を示す中心軸Ｑは、キャビティ５内に向けて取り付けられている。したがって、吸気行程の中期に、インジェクタ１２から燃料の噴霧塊Ｆを噴射すると、インジェクタ１２の中心軸Ｑを噴射方向として、噴霧塊Ｆがシリンダ１の中心軸Ｏから吸気側に偏在するキャビティ５内に向けて噴射される。その結果、燃料のほぼ全量がキャビティ５内に噴射される。
【０００８】
ところが、このような吸排気ポート９ａ，９ｂにおける吸気バルブ１０ａの開弁状態および排気バルブ１０ｂの閉弁状態で、ピストン４が上死点から下降すると、燃料の噴霧塊Ｆが吸気時の空気流動（図１２に極太線矢印で示す）の影響を受け易い。このため、燃料と吸入空気との混合後の噴霧塊Ｆが排気側へ移行しようとしても、吸気時の空気流動により吸気側へ押し戻されてしまう。これにより、吸排気バルブ１０ａ，１０ｂの閉弁状態における圧縮行程の初期において、ピストン４が下死点から上昇すると、図１３に示すように、噴霧塊Ｆは、キャビティ５内の吸気側へ巻き込まれ、排気側への燃料分布が阻害される。したがって、圧縮行程の後期では、図１４に示すように、噴霧塊Ｆがキャビティ５内に残留し、吸気側に高濃度の燃料が偏在するという可能性がある。その結果、上述したように燃料の分散性および空気利用率を十分に向上させることができないため、熱効率損が発生し、出力性能の低下や燃費の悪化を引き起こす恐れがある。
【０００９】
一方、エンジンの低負荷低回転運転領域での成層燃焼においては、圧縮行程の後期、すなわち、ピストン４の上死点直前におけるキャビティ５とインジェクタ１２とが近接した時点で、キャビティ５内への燃料の噴射が行われる。この場合には、図１５に示すように、大半の燃料がキャビティ５内の排気側内壁面５ａに向けて反射し、主噴霧塊Ｆとなって点火プラグ１１の放電電極１１ａに向けて巻き上げられる。ところが、残りの一部の残噴霧塊Ｆ０は、キャビティ５内の吸気側内壁面５ｂに向けて主噴霧塊Ｆと反対側に反射し、主噴霧塊Ｆと残噴霧塊Ｆ０が切り離される恐れがある。このような噴霧塊の分離状態で、点火プラグ１１による点火が行われると、残噴霧塊Ｆ０には火炎伝播が行われず、残噴霧塊Ｆ０が未燃燃料となる可能性がある。このような事態が生じると、排気ガスの悪化を招くばかりでなく、燃費を向上させることができないという恐れがある。
【００１０】
そこで、上記した成層燃焼における不具合を解消する対策としては、点火プラグ１１による点火タイミングを少し遅らせることが考えられる。この場合、図１６に示すように、主噴霧塊Ｆが吸気側へ拡散するまで待って、主噴霧塊Ｆと残噴霧塊噴射口Ｆ０とが合流した時点で点火させる。しかしながら、このような対策では、主噴霧塊Ｆと残噴霧塊Ｆ０とがリング状に合流する恐れがあるため、塊周りの中空部に相当する部位や排気側に拡散する燃料が未燃燃料になり易い。しかも、点火プラグ１１の放電電極１１ａ周りの主噴霧塊Ｆも吸気側に拡散していくため、着火安定性および燃焼安定性が低下する。また、成層燃焼時における高回転側では、適切な点火タイミングを得難く、熱効率の低下を招き易い。
【００１１】
さらに、上記した先行例２および３では、図１７に示すように、ピストン４の頂面４ａに形成されたキャビティ５の燃料噴射方向に対面する内壁面５ａがオーバーハング形状となっている。このため、キャビティ５の内壁面５ａに燃料の噴霧塊Ｆが衝突した際に、ほとんどの噴霧塊Ｆは吸気側に流動してキャビティ５内に残留する。これにより、均一混合燃焼においては、排気側の燃料分布が希薄になり易い。
【００１２】
本発明の目的は、低負荷低回転運転領域での成層燃焼において、良好な熱効率、排気ガスおよび燃焼安定性を維持し、高負荷高回転運転領域での均一混合燃焼においても、燃料分散性および空気利用率の低下を防止し、熱効率、出力性能および燃費の向上を図ることである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するために、第１の発明は、運転状態に応じて、均一混合燃焼または成層燃焼を選択的に行う筒内噴射型エンジンを提供する。この筒内噴射型エンジンは、シリンダ内に設けられたピストンを有する。このピストンの頂面には、キャビティが吸気側に偏在させて形成されている。また、シリンダとピストンとによって形成された燃焼室内には、第１の噴射方向と第２の噴射方向とに燃料を噴射するインジェクタが臨んでいる。そして、第１の噴射方向は、キャビティ内に向かっており、第２の噴射方向は、クランク角度が上死点後１００°よりも下死点側にピストンが位置している状態において、キャビティ外に向かっている。
【００１４】
ここで、第１の発明おいては、インジェクによって第１の噴射方向と第２の噴射方向とに噴射される燃料の噴霧塊の間の空間が、少なくとも１０°以上の間隙角度を有することが好ましい。
【００１５】
第２の発明は、筒内噴射型エンジンの制御方法を提供する。この制御方法は、運転状態に応じて、均一混合燃焼または成層燃焼を選択的に行う。燃焼室内には、第１の噴霧方向と第２の噴霧方向とに燃料を噴射するインジェクタが臨んでおり、ピストンの頂面には、キャビティが吸気側に偏在させて形成されている。そして、第１のステップでは、均一混合燃焼を行う場合に、吸気行程において、第１の噴射方向がキャビティ内に向い、かつ、第２の噴射方向がキャビティ外に向かうタイミングで燃料を噴射する。第２のステップでは、成層燃焼を行う場合に、圧縮行程において、第１の噴射方向と第２の噴射方向とがキャビティ内に向かうタイミングで燃料を噴射する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本実施形態における筒内噴射エンジンの全体構成を概略的に示す説明図である。図２は、吸気行程初期における筒内噴射エンジンの断面図である。なお、図１２から図１７に示す従来構造で説明した部材と同じ部材については、同一の符号を付して説明する。
【００１７】
エンジン本体Ｅを構成するシリンダ１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド３とで形成されている。シリンダ１内には、ピストン４が上死点から下死点まで変位自在に設けられ、このピストン４の頂面４ａには、キャビティ５が吸気側に偏在させて凹設されている。ピストン４は、コンロッド６を介してクランクシャフト７に連結されている。シリンダ１内には、ペントルーフ型形状を有する燃焼室８がシリンダヘッド３とピストン４の頂面４ａとの間に形成されている。この燃焼室８の吸気側の傾斜ルーフ面８ａには、吸気ポート９ａを開閉する吸気バルブ１０ａが設けられ、排気側の傾斜ルーフ面８ｂには、排気ポート９ｂを開閉する排気バルブ１０ｂが設けられている。燃焼室８における吸気バルブ１０ａと排気バルブ１０ｂとの間の略中央のルーフ面には、点火プラグ１１が取り付けられている。この点火プラグ１１の放電電極１１ａは、燃焼室８内に臨んでいる。燃焼室８には、高圧化された燃料（ガソリン）を噴霧させるインジェクタ１２が吸気側の傾斜ルーフ面８ａに取り付けられている。このインジェクタ１２は、電磁バルブであって、その中心軸Ｑがシリンダ１の中心軸Ｏに向けて斜め下方となるように燃焼室８内に臨んでいる。この結果、燃料は、吸気ポート９ａ側から排気ポート９ｂ側に向けて燃焼室８内に直接噴霧される。
【００１８】
吸気ポート９ａには、燃焼空気を燃焼室８内に吸入するインテークマニホールド１３が接続されている。このインテークマニホールド１３には、図示しないエアクリーナを介して吸入される空気の空気量を調整するスロットルバルブ１４が設けられており、その下流側には、エアチャンバ１５が接続されている。この場合、スロットルバルブ１４は、図示しない電動モータによって駆動し、アクセルペダル１６とは、機械的にリンクしておらず、その開度（スロットル開度）は、後述するエンジン制御回路２０の制御ユニット２１からの出力信号によって設定される。一方、排気ポート９ｂには、後述する燃焼行程後の燃焼室８内に残留する排気ガスを排出するエキゾーストマニホールド１７が接続されている。このエキゾーストマニホールド１７には、触媒コンバータ１８が接続され、この触媒コンバータ１８が排気ガスを浄化する。インテークマニホールド１３のエアチャンバ１５とエキゾーストマニホールド１７とは、排気再循環バルブ（以下、ＥＧＲバルブという）１９を介して連通し、このＥＧＲバルブ１９は、図示しないステッパーモータによって駆動し、その開度（ＥＧＲ開度）は、スロットルバルブ１４と同様に、後述するエンジン制御回路２０の制御ユニット２１からの出力信号によって設定される。すなわち、ＥＧＲバルブ１９は、そのＥＧＲ開度を調整することにより、燃焼に寄与しない不活性ガスをインテークマニホールド１３内に供給し、インテークマニホールド１３内を流れる吸入空気中に適切に混入する。それにより、燃焼室８内の燃焼温度は低下する。この結果、排気ガス中に含まれるＮＯｘの排出量を減少させることができる。
【００１９】
そして、エンジン本体Ｅには、エンジン制御回路２０が接続され、このエンジン制御回路２０は、制御ユニット２１を有する。この制御ユニット２１は、マイクロコンピュータを中心として構成され、ＲＯＭに格納された制御プログラムに従って燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期、スロットル開度およびＥＧＲ開度等を算出する。このように算出された制御量に対応する制御信号は、制御ユニット２１から各種アクチュエータに対して出力される。
【００２０】
制御ユニット２１には、運転状態を検出するために、各種センサ群２２〜２９からのセンサ信号が入力される。クランク角度センサ２２は、エンジン本体Ｅのクランクシャフト７と一体的に回転するクランクロータ７ａの外周近傍に設置され、このクランクロータ７ａの回転からクランク角が何度であるかを検出する。制御ユニット２１は、クランク角度センサ２２からのセンサ信号に基づいて、エンジン本体Ｅにおける一連の燃焼行程を管理する。カム角度センサ２３は、吸気バルブ１０ａを開閉駆動するカム機構２３ａの近傍に設置され、カムの回転変位からカム角度を検出する。制御ユニット２１は、カム角度センサ２３からのセンサ信号の基づいて、吸気バルブ１０ａの開閉状態を管理する。アクセル開度センサ２４は、ポテンションで構成されており、アクセルペダル１６の近傍に設置され、ペダル踏込み量からエンジンの高速負荷状態であるか低速負荷状態であるかを検出する。制御ユニット２１は、アクセル開度センサ２４からのセンサ信号に基づいて、ドライバの要求負荷を管理する。エアフローセンサ２５は、ホットワイヤ式またはホットフィルム式のセンサであり、スロットルバルブ１４の上流側に接続されるエアクリーナ（図示せず）の直下流に設置され、吸入空気量を検出する。また、スロットル開度センサ２６は、スロットルバルブ１４の近傍に設置されており、スロットル開度を検出する。マニホールド内圧センサ２７は、エアチャンバ１５内に臨んで設置されており、エアチャンバ１５の内圧を検出する。ＥＧＲ開度センサ２８は、エアチャンバ１５とエキゾーストマニホールド１７との間に設けたＥＧＲバルブ１９に設置されており、ＥＧＲバルブ１９のＥＧＲ開度を検出する。制御ユニット２１は、ＥＧＲ開度センサ２８からのセンサ信号に基づいて、インテークマニホールド１３内に供給する不活性ガスの吸入空気中への混入量を管理する。エンジン水温センサ２９は、燃焼室８の周囲に形成されるウォータージャケット２ａ内に臨んで設置されており、ウォータージャケット２ａ内の冷却水の温度を検出する。制御ユニット２１は、エンジン水温センサ２９からのセンサ信号に基づき、エンジンの燃料噴射量や点火時期等を管理する。
【００２１】
本実施形態では、インジェクタ１２の噴射口１２ａから噴射される燃料が上下２方向に向けて噴射される。第１の噴射方向を示す中心軸Ｑ１は、インジェクタ１２の中心軸Ｑよりも下方に向かっており、第２の噴射方向を示す中心軸Ｑ２は、インジェクタ１２の中心軸Ｑよりも上方に向かっている。
【００２２】
図３は、高負荷高回転運転時に行われる均一混合燃焼における燃料噴射状態を示す断面図である。均一混合燃焼における燃料の噴射タイミングは、図２に示す吸気行程の初期から中期の時点に設定され、燃料が燃焼室８内に向けて噴射される。この吸気行程における中期の時点とは、ピストン４の位置が上死点後から下死点まで下降する間、すなわち、クランク角度センサ２２によって検出されるクランク角が１００°〜１８０°、好ましくは、１３０°〜１６０°、例えば、１３０°の時点をいう。換言すると、この時点は、クランク角度が上死点後１００°よりも下死点側にピストン４が位置している状態である。そして、インジェクタ１２の噴射口１２ａから噴射される燃料は、第１の噴射方向を示す中心軸Ｑ１がピストン４の吸気側に偏在するキャビティ５内に急角度で向かっており、主噴霧塊Ｆ１として燃料がキャビティ５内に向け噴射される。一方、第２の噴射方向を示す中心軸Ｑ２は、ピストン４の排気側頂面４ａ、つまり、キャビティ５外に滑らかな角度で向かっており、副噴霧塊Ｆ２として燃料がキャビティ５の上方を越えて燃焼室８の排気側に向け噴射される。
【００２３】
図４は、均一混合燃焼における圧縮行程初期の燃料噴霧塊の挙動を示す断面図である。図５は、均一混合燃焼における圧縮行程後期の燃料噴霧塊の挙動を示す断面図である。図４に示すように、吸気行程の中期において燃焼室８内に燃料が噴射されると、圧縮行程初期において、主噴霧塊Ｆ１は、キャビティ５内およびにキャビティ５の上空に拡散する。これにより、高濃度の混合気がシリンダ１の中心軸０に対して吸気側に分布される。
【００２４】
一方、燃焼室８内の排気側に噴射された副噴霧塊Ｆ２は、吸気行程後に残留する空気流動（図４に極太線矢印で示す）によって燃焼室８内の中央部側に向けて巻き込まれて拡散する。これにより、高濃度の混合気がシリンダ１の中心軸０側に対して排気側に分布される。したがって、圧縮行程後期においては、図５に示すように、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２とによる高濃度の混合気が、燃焼室８内の全体に亘って均質に分布される。その結果、燃料の分散性および空気利用率が向上し、従前のような熱効率損が解消されるとともに、出力性能および燃費の向上を図ることができる。
【００２５】
図６は、低負荷低回転運転時に行われる成層燃焼における燃料噴射状態を示す断面図である。この成層燃焼における燃料の噴射タイミングは、圧縮行程の後期の時点に設定されている。そして、インジェクタ１２の噴射口１２ａから噴射される燃料は、第１の噴射方向を示す中心軸Ｑ１に沿う主噴霧塊Ｆ１と、第２の噴射方向を示す中心軸Ｑ２に沿う副噴霧塊Ｆ２との双方がキャビティ５内に向け噴射される。
【００２６】
図７は、成層燃焼における爆発行程直前の燃料噴霧塊の挙動を示す断面図である。圧縮行程の後期において燃焼室８内に燃料が噴射されると、爆発行程直前において、主噴霧塊Ｆ１のほとんどは、キャビティ５内の吸気側内壁面５ｂに沿って燃焼室８内の吸気側上空に向け拡散する。このため、高濃度の混合気がシリンダ１の中心軸０に対して吸気側に分布される。
【００２７】
一方、副噴霧塊Ｆ２のほとんどは、キャビティ５内の排気側内壁面５ａに沿って燃焼室８内の中央部側上空に向け拡散する。このため、高濃度の混合気が点火プラグ１１の放電電極１１ａ周りに分布される。そして、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２との残りの残噴霧塊同士は、互いにオーバーラップし合って切り離されることなくキャビティ５内に残留する。この結果、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２とによる高濃度の混合気が、燃焼室８内の全体に亘って均質に分布され、点火プラグ１１による点火が行われても、火炎伝播が円滑に行われ、失火を防止することができる。しかも、従前のような未燃燃料を発生させることがないため、良質な排気ガスを得ることができるとともに、燃費を向上させることができる。
【００２８】
図８は、燃料噴霧塊の平面噴射形態を示す横断面図である。図９は、燃焼噴霧塊の噴霧ペネトレーションを示す説明図である。図８に示すように、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２とは、インジェクタ１２の噴射口１２ａからシリンダ１の中心軸Ｏに向けて末広がりで、インジェクタ１２の中心軸Ｑに対して対称な平面扇形の形状を有する。そして、図９に示すように、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２とは、下式（１），（２）で示すような関係を有する。
【００２９】
【数式１】
Ｌ１ＣＯＳα１＝Ｌ２ＣＯＳα２ （１）
β１＞β２ （２）
ここで、
Ｌ１：主噴霧塊のペネトレーション
Ｌ２：副噴霧塊のペネトレーション
α１：主噴霧塊の噴射角度
α２：副噴霧塊の噴射角度
β１：主噴霧塊の噴霧角度
β２：副噴霧塊の噴霧角度
【００３０】
上記の式において、ペネトレーションＬ１は、主噴霧塊Ｆ１の噴射方向を示す中心軸Ｑ１に沿うピストン４の頂面４ａの水平平面Ｘに至る到達距離をいう。ペネトレーションＬ２は、副主噴霧塊Ｆ２の噴射方向を示す中心軸Ｑ２に沿うピストン４の頂面４ａの水平平面Ｘに至る到達距離をいう。噴射角度α１は、シリンダ１の中心軸Ｏと平行なインジェクタ１２の噴射口１２ａを通る鉛直軸Ｙに対する主噴霧塊Ｆ１の噴射方向の中心軸Ｑ１の角度をいう。噴射角度α２は、シリンダ１の中心軸Ｏと平行なインジェクタ１２の噴射口１２ａを通る鉛直軸Ｙに対する副噴霧塊Ｆ２の噴射方向の中心軸Ｑ１の角度をいう。噴霧角度β１は、シリンダ１の中心軸Ｏに向かう主噴霧塊Ｆ１の広がり角度をいう。噴霧角度β２は、シリンダ１の中心軸Ｏに向かう副噴霧塊Ｆ２の広がり角度をいう。
【００３１】
すなわち、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２とは、ピストン４の頂面４ａに同時に到達するように設定されている。その理由は、主噴霧塊Ｆ１は、ピストン４の頂面４ａに到るまでの到達距離Ｌ１が副噴霧塊Ｆ２の到達距離Ｌ２よりも短い（Ｌ１＜Ｌ２）。そして、同一の噴射量比率の下で、主噴霧塊Ｆ１がピストン４の頂面４ａに副噴霧塊Ｆ２よりも先に到達すると、主噴霧塊Ｆ１によるキャビティ５内への過度な燃料供給が行われ、燃焼室８内の燃料分布がキャビティ５側周辺に偏在する。このため、主噴霧塊Ｆ１の噴霧角度β１は、副噴霧塊Ｆ２の噴霧角度β２よりも大きくなっている（β１＞β２）。これにより、主噴霧塊Ｆ１の移動速度は、副噴霧塊Ｆ２の移動速度よりも遅くなる。したがって、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２とが、ピストン４の頂面４ａに同時に到達させることが可能になり、主噴霧塊Ｆ１によるキャビティ５内への過度な燃料供給が抑制される。
【００３２】
ところで、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２との噴射量比率は、ピストン４の上死点において、燃焼室８におけるキャビティ５内の容積とキャビティ５外の容積の比に応じて設定される。この場合、ピストン４の頂面４ａに形成されるキャビティ５の形状、つまり、拡開壁面型キャビティとオーバーハング壁面型キャビティとによって、キャビティ内容積とキャビティ外容積の定義が異なる。拡開壁面型キャビティは、例えば、本実施形態で示すように（図３参照）、排気側内壁面５ａが上方に向け拡開する方向に傾斜する形態（拡開壁面形状）を有する。オーバーハング壁面型キャビティは、図１７に示すような排気側内壁面５ａがオーバーハング面に形成された形態（オーバーハング壁面形状）を有する。このため、拡開壁面型キャビティでは、キャビティ５上方の吸気側傾斜ルーフ面８ａまで含む空間をキャビティ内容積とし、その他の空間をキャビティ外容積と定義する。一方、オーバーハング壁面型キャビティは、キャビティ５の排気側内壁面５ａをオーバーハング面に形成することにより、図１７に示すように、キャビティ５の内壁面５ａに燃料の噴霧塊Ｆが衝突した際、ほとんどの噴霧塊Ｆは吸気側に流動して、キャビティ５内に残留する。このため、オーバーハング壁面型キャビティでは、キャビティ５内のみをキャビティ内容積とし、キャビティ５の上方を含む空間をキャビティ外容積と定義する。そして、キャビティ内容積に相当する比率が、主噴霧塊Ｆ１の噴射量として設定され、キャビティ外容積に相当する比率が、副噴霧塊Ｆ２の噴射量として設定される。
【００３３】
また、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２との間に挟まれる空間は、燃料と空気との混合促進を確保する上で重要である。このため、本実施形態では、図９に示すように、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２との間の間隙角度θが１０°以上に維持されるように、主噴霧塊Ｆ１の噴射方向における中心軸Ｑ１の噴射角度α１が、燃焼室８の形状に応じて設定されている。
【００３４】
さらに、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２との噴射形態としては、例えば、図１０に示すインジェクタ１２の中心軸Ｑと直交する平面Ｚにおける切断面を矢印Ａの方向から見た場合、後述するように、それらの幅方向の断面が偏平な形状を有する。図１１は、噴霧塊の断面形態を示す説明図である。図１１（ａ）は、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２とがインジェクタ１２の中心軸Ｑを通る平面に対して対称的な帯状の分布からなる断面形態を有する。図１１（ｂ）は、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２とがインジェクタ１２の中心軸Ｑを通る平面に対して、互いの幅および厚さの異なる非対称的な帯状の分布からなる断面形態を有する。図１１（ｃ）は、主噴霧塊Ｆ１が複数の円形断面（切断面Ｚに対しては楕円形断面）を有する列状の分布を有する一方、副噴霧塊Ｆ２が帯状に分布し、インジェクタ１２の中心軸Ｑを通る平面に対して対称的な断面形態を有する。図１１（ｄ）は、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２とが複数の円形断面を有する列状の分布を有し、インジェクタ１２の中心軸Ｑを通る平面に対して対称的な断面形態を有する。図１１（ｅ）は、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２とが複数の円形断面を有する分布を有し、インジェクタ１２の中心軸Ｑを通る平面に対して非対称的な断面形態を有する。
【００３５】
このように、本実施形態においては、シリンダ１内に上死点から下死点まで変位自在に設けられたピストン４を有する。このピストン４の頂面４ａには、吸気側に偏在したキャビティ５が形成されている。燃焼室８内には、第１の噴射方向と第２の噴射方向とに燃料を噴射するインジェクタ１２が臨んでいる。第１の噴射方向における燃料の主噴霧塊Ｆ１の中心軸Ｑ１は、キャビティ５内に向かっている。第２の噴射方向における燃料の副噴霧塊Ｆ２の中心軸Ｑ２は、クランク角度が上死点後１００°よりも下死点側にピストン４が位置している状態において、キャビティ５外に向かっている。
【００３６】
そして、高負荷高回転運転時に行われる均一混合燃焼においては、インジェクタ１２から噴射される主副噴霧塊Ｆ２がキャビティ５内に向け噴射されるとともに、副噴霧塊Ｆ２がキャビティ５の上方を越えて燃焼室８の排気側に向け噴射される。これにより、高濃度の混合気がシリンダ１の中心軸０側に対して排気側に分布される。
【００３７】
したがって、圧縮行程後期においては、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２とによる高濃度の混合気が、燃焼室８内の全体に亘って均質に分布される。しかも、燃料の分割噴霧により、噴霧塊Ｆ１，Ｆ２と空気との接触面積が多く確保されることから、燃料と空気との混合速度が速く、気化性に優れる。その結果、燃料の分散性および空気利用率が向上し、従前のような熱効率損が解消され、出力性能および燃費の向上を図ることができるとともに、エンジンの始動から暖気までの低水温状態における煤等の生成を抑制することができる。
【００３８】
一方、低負荷低回転運転時に行われる成層燃焼において、燃料の噴射タイミングが圧縮行程の後期の時点に設定されている。そして、インジェクタ１２から噴射される主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２との双方がキャビティ５内に向け噴射される。これにより、爆発行程直前において、主噴霧塊Ｆ１のほとんどは、キャビティ５内の吸気側内壁面５ｂに沿って燃焼室８内の吸気側上空に向け拡散する。一方、副噴霧塊Ｆ２のほとんどは、キャビティ５内の排気側内壁面５ａに沿って燃焼室８内の中央部側上空に向け拡散する。このため、高濃度の混合気が点火プラグ１１の放電電極１１ａ周りに分布され、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２との残りの残噴霧塊同士は、互いにオーバーラップし合って切り離されることなくキャビティ５内に残留する。この結果、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２とによる高濃度の混合気が、燃焼室８内の全体に亘って均質に分布され、点火プラグ１１による点火が行われても、火炎伝播が円滑に行われ、失火を防止することができる。しかも、従前のような未燃燃料を発生させることがないため、良質な排気ガスを得ることができるとともに、燃費を向上させることができる。
【００３９】
さらに、主噴霧塊Ｆ１の噴射方向がキャビティ５内に急角度で向かっているため、主噴霧塊Ｆ１のキャビティ５の内底面に対する入射角が深くなる。これにより、キャビティ５の内底面への主噴霧塊Ｆ１の衝突により、燃料の微粒化が速やかに行われるため、気化性に優れる。また、副噴霧塊Ｆ２が点火プラグ１１側に速やかに到達されることから、燃料噴射から点火までの時間が短縮され、クランクシャフト７の１回転当りの時間が短い成層燃焼時の高回転域側においても、十分な効果が発揮される。
【００４０】
なお、上記した実施形態では、高負荷高回転運転での均一混合燃焼における燃焼室８内への燃料の噴射タイミングが、ピストン４の上死点後、１３０°のクランク角度で設定されている。しかしながら、本発明は、これに限定されることがなく、例えば、ボアやストローク、あるいは、燃焼室８等に応じて、クランク角が１００°〜１８０°の範囲で適宜に設定される。また、主噴霧塊Ｆ１および副噴霧塊Ｆ２の噴霧形態は、燃料噴霧量の比率や燃焼室８における燃料の拡散度合い等の調整により適宜に組み合わされる。
【００４１】
【発明の効果】
このように、本発明に係る筒内型噴射エンジンでは、燃焼室内に燃料が２方向に噴射される。そして、均一混合燃焼においては、一方の噴霧塊がキャビティ内に噴射され、他方の噴霧塊がキャビティ外に噴射される。また、成層燃焼においては、双方の噴霧塊がキャビティ内に噴射される。これにより、成層燃焼において良好な熱効率、排気ガスおよび燃焼安定性を維持したまま、均一混合燃焼においても、燃料分散性および空気利用率の低下を防止することができ、熱効率、出力性能および燃費の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態における筒内噴射エンジンの全体構成図
【図２】吸気行程初期における断面図
【図３】高負荷高回転運転での燃料噴射状態を示す断面図
【図４】均一混合燃焼における圧縮行程初期の燃料噴霧塊の挙動を示す断面図
【図５】均一混合燃焼における圧縮行程後期の燃料噴霧塊の挙動を示す断面図
【図６】低負荷低回転運転での成層燃焼における燃料噴射状態を示す断面図
【図７】成層燃焼における爆発行程直前の燃料噴霧塊の挙動を示す断面図
【図８】燃料の噴霧塊の平面噴射形態を示す横断面図
【図９】燃料の噴霧塊のシリンダ中心軸方向に対する噴霧ペネトレーションを示す説明図
【図１０】燃料の噴霧塊の側面噴射形態を示す説明図
【図１１】図１０におけるインジェクタの中心軸と直交する平面に対する噴霧塊の断面形態を示す説明図
【図１２】従来の均一混合燃焼における吸気行程中期の燃料噴射状態を示す断面図
【図１３】圧縮行程初期における燃料拡散状態を示す断面図
【図１４】圧縮行程後期における燃料拡散状態を示す断面図
【図１５】従来の成層燃焼における圧縮行程後期における燃料拡散状態を示す断面図
【図１６】従来の成層燃焼における爆発行程直前の他の燃料拡散状態を示す断面図
【図１７】従来の成層燃焼における爆発行程直前の他の燃料拡散状態を示す断面図
【符号の説明】
Ｅ エンジン本体
１ シリンダ
２ シリンダブロック
２ａ ウォータージャケット
３ シリンダヘッド
４ ピストン
５ キャビティ
５ａ 排気側内壁面
５ｂ 吸気側内壁面
６ コンロッド
７ クランクシャフト
７ａ クランクロータ
８ 燃焼室
８ａ 吸気側傾斜ルーフ面
８ｂ 排気側傾斜ルーフ面
９ａ 吸気ポート
９ｂ 排気ポート
１０ａ 吸気バルブ
１０ｂ 排気バルブ
１１ 点火プラグ
１１ａ 放電電極
１２ インジェクタ
１２ａ 噴射口
１３ インテークマニホールド
１４ スロットルバルブ
１５ エアチャンバ
１６ アクセルペダル
１７ エキゾーストマニホールド
１８ 触媒コンバータ
１９ 排気再循環バルブ（ＥＧＲバルブ）
２０ エンジン制御回路
２１ 制御ユニット
２２ クランク角度センサ
２３ カム角度センサ
２３ａ カム機構
２４ アクセル開度センサ
２５ エアフローセンサ
２６ スロットル開度センサ
２７ マニホールド内圧センサ
２８ ＥＧＲ開度センサ
２９ エンジン水温センサ
Ｆ１ 第１の噴霧塊（燃料）
Ｆ２ 第２の噴霧塊（燃料）
【発明の属する技術分野】
本発明は、均一混合燃焼または成層燃焼を運転状態に応じて選択的に行う筒内噴射型エンジンおよびその制御方法に係り、特に、キャビティが頂面に形成されたピストンに対する燃焼室内への燃料の噴射形態および噴射タイミングの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、燃焼室内にインジェクタによって燃料を直接噴射するエンジン、すなわち、筒内噴射型エンジンが知られている。このタイプのエンジンは、燃料を素早く空気と混合させ、この可燃混合気を点火プラグ周りに形成することにより、リーンバーンによる燃費改善を図りつつ、低負荷低回転運転時の燃焼安定性を確保している。
【０００３】
この点に関して、例えば、特開平１１−２２３１２７号公報（先行例１）には、ペントルーフ型形状を有する燃焼室内のほぼ中央に点火プラグを配置し、ピストンの頂面にキャビティを吸気側に偏在させて凹設した構成が開示されている。この先行例１では、吸気ポート側のシリンダ壁近傍に配置されたインジェクタから噴射される燃料の噴射方向がシリンダの中心軸方向に対して斜め下方となるように傾斜させている。そして、燃料の噴霧形態が偏平で扇形をなすように形成することにより、燃料を燃焼室内に素早く分散させている。
【０００４】
一方、特開２０００−２６５８４２号公報（先行例２）および特開２０００−２４８９４４号公報（先行例３）には、ピストンの頂面に形成されたキャビティの燃料噴射方向に対面する内壁面をオーバーハング形状にした構造が開示されている。これらの先行例２，３では、キャビティ内壁面に燃料の噴霧塊が衝突した際、インジェクタのペネトレーションを利用して、キャビティ内にスワールを生起させる。これにより、燃料の噴霧塊が点火プラグの放電電極に向けて巻き上げ、特に、低速負荷時における点火プラグの放電電極周りの燃料濃度を局部的に高めることにより、失火を防止し、燃焼安定性の向上を図っている。
【０００５】
ところで、このような筒内噴射エンジンの燃焼形態には、均一混合燃焼と成層燃焼とがあり、運転状態に応じて、いずれかの燃焼形態が選択される。すなわち、通常走行運転時のようなエンジンの高負荷高回転運転領域、あるいは、ストイキオ領域では、燃焼室内に均質な混合気を形成して点火する均一混合燃焼が行われる。この場合、インジェクタによる燃料の噴霧は、吸気行程中に行われる。
【０００６】
一方、空燃比を非常に大きくする希薄燃焼領域（リーンバーン領域）、すなわち、アイドリング時のようなエンジンの低負荷低回転運転領域では、混合気の成層化により確実な着火を可能とする成層燃焼が行われる。この場合、インジェクタによる燃料の噴霧は、圧縮行程の後期において行われる。そして、インジェクタから噴射された燃料は、ピストンの頂面に形成されたキャビティに導入され、点火プラグの放電電極へと流れる。このため、この放電電極周辺に着火可能な混合気が層状に形成される。そして、これを適切なタイミングで点火して混合気を燃焼させる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した先行例１では、エンジンの高負荷高回転運転領域での均一混合燃焼において、燃料の分散性および空気利用率を十分に向上させることが困難である。すなわち、図１２に示すように、エンジン本体Ｅを構成するシリンダ１の燃焼室８内には、吸気側に配置したインジェクタ１２が臨み、このインジェクタ１２より、燃料が一塊の噴霧塊Ｆとなって噴射されている。また、ピストン４の頂面４ａには、キャビティ５がシリンダ１の中心軸Ｏから吸気側に偏在させて形成されている。そして、インジェクタ１２による燃料の噴射方向を示す中心軸Ｑは、キャビティ５内に向けて取り付けられている。したがって、吸気行程の中期に、インジェクタ１２から燃料の噴霧塊Ｆを噴射すると、インジェクタ１２の中心軸Ｑを噴射方向として、噴霧塊Ｆがシリンダ１の中心軸Ｏから吸気側に偏在するキャビティ５内に向けて噴射される。その結果、燃料のほぼ全量がキャビティ５内に噴射される。
【０００８】
ところが、このような吸排気ポート９ａ，９ｂにおける吸気バルブ１０ａの開弁状態および排気バルブ１０ｂの閉弁状態で、ピストン４が上死点から下降すると、燃料の噴霧塊Ｆが吸気時の空気流動（図１２に極太線矢印で示す）の影響を受け易い。このため、燃料と吸入空気との混合後の噴霧塊Ｆが排気側へ移行しようとしても、吸気時の空気流動により吸気側へ押し戻されてしまう。これにより、吸排気バルブ１０ａ，１０ｂの閉弁状態における圧縮行程の初期において、ピストン４が下死点から上昇すると、図１３に示すように、噴霧塊Ｆは、キャビティ５内の吸気側へ巻き込まれ、排気側への燃料分布が阻害される。したがって、圧縮行程の後期では、図１４に示すように、噴霧塊Ｆがキャビティ５内に残留し、吸気側に高濃度の燃料が偏在するという可能性がある。その結果、上述したように燃料の分散性および空気利用率を十分に向上させることができないため、熱効率損が発生し、出力性能の低下や燃費の悪化を引き起こす恐れがある。
【０００９】
一方、エンジンの低負荷低回転運転領域での成層燃焼においては、圧縮行程の後期、すなわち、ピストン４の上死点直前におけるキャビティ５とインジェクタ１２とが近接した時点で、キャビティ５内への燃料の噴射が行われる。この場合には、図１５に示すように、大半の燃料がキャビティ５内の排気側内壁面５ａに向けて反射し、主噴霧塊Ｆとなって点火プラグ１１の放電電極１１ａに向けて巻き上げられる。ところが、残りの一部の残噴霧塊Ｆ０は、キャビティ５内の吸気側内壁面５ｂに向けて主噴霧塊Ｆと反対側に反射し、主噴霧塊Ｆと残噴霧塊Ｆ０が切り離される恐れがある。このような噴霧塊の分離状態で、点火プラグ１１による点火が行われると、残噴霧塊Ｆ０には火炎伝播が行われず、残噴霧塊Ｆ０が未燃燃料となる可能性がある。このような事態が生じると、排気ガスの悪化を招くばかりでなく、燃費を向上させることができないという恐れがある。
【００１０】
そこで、上記した成層燃焼における不具合を解消する対策としては、点火プラグ１１による点火タイミングを少し遅らせることが考えられる。この場合、図１６に示すように、主噴霧塊Ｆが吸気側へ拡散するまで待って、主噴霧塊Ｆと残噴霧塊噴射口Ｆ０とが合流した時点で点火させる。しかしながら、このような対策では、主噴霧塊Ｆと残噴霧塊Ｆ０とがリング状に合流する恐れがあるため、塊周りの中空部に相当する部位や排気側に拡散する燃料が未燃燃料になり易い。しかも、点火プラグ１１の放電電極１１ａ周りの主噴霧塊Ｆも吸気側に拡散していくため、着火安定性および燃焼安定性が低下する。また、成層燃焼時における高回転側では、適切な点火タイミングを得難く、熱効率の低下を招き易い。
【００１１】
さらに、上記した先行例２および３では、図１７に示すように、ピストン４の頂面４ａに形成されたキャビティ５の燃料噴射方向に対面する内壁面５ａがオーバーハング形状となっている。このため、キャビティ５の内壁面５ａに燃料の噴霧塊Ｆが衝突した際に、ほとんどの噴霧塊Ｆは吸気側に流動してキャビティ５内に残留する。これにより、均一混合燃焼においては、排気側の燃料分布が希薄になり易い。
【００１２】
本発明の目的は、低負荷低回転運転領域での成層燃焼において、良好な熱効率、排気ガスおよび燃焼安定性を維持し、高負荷高回転運転領域での均一混合燃焼においても、燃料分散性および空気利用率の低下を防止し、熱効率、出力性能および燃費の向上を図ることである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するために、第１の発明は、運転状態に応じて、均一混合燃焼または成層燃焼を選択的に行う筒内噴射型エンジンを提供する。この筒内噴射型エンジンは、シリンダ内に設けられたピストンを有する。このピストンの頂面には、キャビティが吸気側に偏在させて形成されている。また、シリンダとピストンとによって形成された燃焼室内には、第１の噴射方向と第２の噴射方向とに燃料を噴射するインジェクタが臨んでいる。そして、第１の噴射方向は、キャビティ内に向かっており、第２の噴射方向は、クランク角度が上死点後１００°よりも下死点側にピストンが位置している状態において、キャビティ外に向かっている。
【００１４】
ここで、第１の発明おいては、インジェクによって第１の噴射方向と第２の噴射方向とに噴射される燃料の噴霧塊の間の空間が、少なくとも１０°以上の間隙角度を有することが好ましい。
【００１５】
第２の発明は、筒内噴射型エンジンの制御方法を提供する。この制御方法は、運転状態に応じて、均一混合燃焼または成層燃焼を選択的に行う。燃焼室内には、第１の噴霧方向と第２の噴霧方向とに燃料を噴射するインジェクタが臨んでおり、ピストンの頂面には、キャビティが吸気側に偏在させて形成されている。そして、第１のステップでは、均一混合燃焼を行う場合に、吸気行程において、第１の噴射方向がキャビティ内に向い、かつ、第２の噴射方向がキャビティ外に向かうタイミングで燃料を噴射する。第２のステップでは、成層燃焼を行う場合に、圧縮行程において、第１の噴射方向と第２の噴射方向とがキャビティ内に向かうタイミングで燃料を噴射する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本実施形態における筒内噴射エンジンの全体構成を概略的に示す説明図である。図２は、吸気行程初期における筒内噴射エンジンの断面図である。なお、図１２から図１７に示す従来構造で説明した部材と同じ部材については、同一の符号を付して説明する。
【００１７】
エンジン本体Ｅを構成するシリンダ１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド３とで形成されている。シリンダ１内には、ピストン４が上死点から下死点まで変位自在に設けられ、このピストン４の頂面４ａには、キャビティ５が吸気側に偏在させて凹設されている。ピストン４は、コンロッド６を介してクランクシャフト７に連結されている。シリンダ１内には、ペントルーフ型形状を有する燃焼室８がシリンダヘッド３とピストン４の頂面４ａとの間に形成されている。この燃焼室８の吸気側の傾斜ルーフ面８ａには、吸気ポート９ａを開閉する吸気バルブ１０ａが設けられ、排気側の傾斜ルーフ面８ｂには、排気ポート９ｂを開閉する排気バルブ１０ｂが設けられている。燃焼室８における吸気バルブ１０ａと排気バルブ１０ｂとの間の略中央のルーフ面には、点火プラグ１１が取り付けられている。この点火プラグ１１の放電電極１１ａは、燃焼室８内に臨んでいる。燃焼室８には、高圧化された燃料（ガソリン）を噴霧させるインジェクタ１２が吸気側の傾斜ルーフ面８ａに取り付けられている。このインジェクタ１２は、電磁バルブであって、その中心軸Ｑがシリンダ１の中心軸Ｏに向けて斜め下方となるように燃焼室８内に臨んでいる。この結果、燃料は、吸気ポート９ａ側から排気ポート９ｂ側に向けて燃焼室８内に直接噴霧される。
【００１８】
吸気ポート９ａには、燃焼空気を燃焼室８内に吸入するインテークマニホールド１３が接続されている。このインテークマニホールド１３には、図示しないエアクリーナを介して吸入される空気の空気量を調整するスロットルバルブ１４が設けられており、その下流側には、エアチャンバ１５が接続されている。この場合、スロットルバルブ１４は、図示しない電動モータによって駆動し、アクセルペダル１６とは、機械的にリンクしておらず、その開度（スロットル開度）は、後述するエンジン制御回路２０の制御ユニット２１からの出力信号によって設定される。一方、排気ポート９ｂには、後述する燃焼行程後の燃焼室８内に残留する排気ガスを排出するエキゾーストマニホールド１７が接続されている。このエキゾーストマニホールド１７には、触媒コンバータ１８が接続され、この触媒コンバータ１８が排気ガスを浄化する。インテークマニホールド１３のエアチャンバ１５とエキゾーストマニホールド１７とは、排気再循環バルブ（以下、ＥＧＲバルブという）１９を介して連通し、このＥＧＲバルブ１９は、図示しないステッパーモータによって駆動し、その開度（ＥＧＲ開度）は、スロットルバルブ１４と同様に、後述するエンジン制御回路２０の制御ユニット２１からの出力信号によって設定される。すなわち、ＥＧＲバルブ１９は、そのＥＧＲ開度を調整することにより、燃焼に寄与しない不活性ガスをインテークマニホールド１３内に供給し、インテークマニホールド１３内を流れる吸入空気中に適切に混入する。それにより、燃焼室８内の燃焼温度は低下する。この結果、排気ガス中に含まれるＮＯｘの排出量を減少させることができる。
【００１９】
そして、エンジン本体Ｅには、エンジン制御回路２０が接続され、このエンジン制御回路２０は、制御ユニット２１を有する。この制御ユニット２１は、マイクロコンピュータを中心として構成され、ＲＯＭに格納された制御プログラムに従って燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期、スロットル開度およびＥＧＲ開度等を算出する。このように算出された制御量に対応する制御信号は、制御ユニット２１から各種アクチュエータに対して出力される。
【００２０】
制御ユニット２１には、運転状態を検出するために、各種センサ群２２〜２９からのセンサ信号が入力される。クランク角度センサ２２は、エンジン本体Ｅのクランクシャフト７と一体的に回転するクランクロータ７ａの外周近傍に設置され、このクランクロータ７ａの回転からクランク角が何度であるかを検出する。制御ユニット２１は、クランク角度センサ２２からのセンサ信号に基づいて、エンジン本体Ｅにおける一連の燃焼行程を管理する。カム角度センサ２３は、吸気バルブ１０ａを開閉駆動するカム機構２３ａの近傍に設置され、カムの回転変位からカム角度を検出する。制御ユニット２１は、カム角度センサ２３からのセンサ信号の基づいて、吸気バルブ１０ａの開閉状態を管理する。アクセル開度センサ２４は、ポテンションで構成されており、アクセルペダル１６の近傍に設置され、ペダル踏込み量からエンジンの高速負荷状態であるか低速負荷状態であるかを検出する。制御ユニット２１は、アクセル開度センサ２４からのセンサ信号に基づいて、ドライバの要求負荷を管理する。エアフローセンサ２５は、ホットワイヤ式またはホットフィルム式のセンサであり、スロットルバルブ１４の上流側に接続されるエアクリーナ（図示せず）の直下流に設置され、吸入空気量を検出する。また、スロットル開度センサ２６は、スロットルバルブ１４の近傍に設置されており、スロットル開度を検出する。マニホールド内圧センサ２７は、エアチャンバ１５内に臨んで設置されており、エアチャンバ１５の内圧を検出する。ＥＧＲ開度センサ２８は、エアチャンバ１５とエキゾーストマニホールド１７との間に設けたＥＧＲバルブ１９に設置されており、ＥＧＲバルブ１９のＥＧＲ開度を検出する。制御ユニット２１は、ＥＧＲ開度センサ２８からのセンサ信号に基づいて、インテークマニホールド１３内に供給する不活性ガスの吸入空気中への混入量を管理する。エンジン水温センサ２９は、燃焼室８の周囲に形成されるウォータージャケット２ａ内に臨んで設置されており、ウォータージャケット２ａ内の冷却水の温度を検出する。制御ユニット２１は、エンジン水温センサ２９からのセンサ信号に基づき、エンジンの燃料噴射量や点火時期等を管理する。
【００２１】
本実施形態では、インジェクタ１２の噴射口１２ａから噴射される燃料が上下２方向に向けて噴射される。第１の噴射方向を示す中心軸Ｑ１は、インジェクタ１２の中心軸Ｑよりも下方に向かっており、第２の噴射方向を示す中心軸Ｑ２は、インジェクタ１２の中心軸Ｑよりも上方に向かっている。
【００２２】
図３は、高負荷高回転運転時に行われる均一混合燃焼における燃料噴射状態を示す断面図である。均一混合燃焼における燃料の噴射タイミングは、図２に示す吸気行程の初期から中期の時点に設定され、燃料が燃焼室８内に向けて噴射される。この吸気行程における中期の時点とは、ピストン４の位置が上死点後から下死点まで下降する間、すなわち、クランク角度センサ２２によって検出されるクランク角が１００°〜１８０°、好ましくは、１３０°〜１６０°、例えば、１３０°の時点をいう。換言すると、この時点は、クランク角度が上死点後１００°よりも下死点側にピストン４が位置している状態である。そして、インジェクタ１２の噴射口１２ａから噴射される燃料は、第１の噴射方向を示す中心軸Ｑ１がピストン４の吸気側に偏在するキャビティ５内に急角度で向かっており、主噴霧塊Ｆ１として燃料がキャビティ５内に向け噴射される。一方、第２の噴射方向を示す中心軸Ｑ２は、ピストン４の排気側頂面４ａ、つまり、キャビティ５外に滑らかな角度で向かっており、副噴霧塊Ｆ２として燃料がキャビティ５の上方を越えて燃焼室８の排気側に向け噴射される。
【００２３】
図４は、均一混合燃焼における圧縮行程初期の燃料噴霧塊の挙動を示す断面図である。図５は、均一混合燃焼における圧縮行程後期の燃料噴霧塊の挙動を示す断面図である。図４に示すように、吸気行程の中期において燃焼室８内に燃料が噴射されると、圧縮行程初期において、主噴霧塊Ｆ１は、キャビティ５内およびにキャビティ５の上空に拡散する。これにより、高濃度の混合気がシリンダ１の中心軸０に対して吸気側に分布される。
【００２４】
一方、燃焼室８内の排気側に噴射された副噴霧塊Ｆ２は、吸気行程後に残留する空気流動（図４に極太線矢印で示す）によって燃焼室８内の中央部側に向けて巻き込まれて拡散する。これにより、高濃度の混合気がシリンダ１の中心軸０側に対して排気側に分布される。したがって、圧縮行程後期においては、図５に示すように、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２とによる高濃度の混合気が、燃焼室８内の全体に亘って均質に分布される。その結果、燃料の分散性および空気利用率が向上し、従前のような熱効率損が解消されるとともに、出力性能および燃費の向上を図ることができる。
【００２５】
図６は、低負荷低回転運転時に行われる成層燃焼における燃料噴射状態を示す断面図である。この成層燃焼における燃料の噴射タイミングは、圧縮行程の後期の時点に設定されている。そして、インジェクタ１２の噴射口１２ａから噴射される燃料は、第１の噴射方向を示す中心軸Ｑ１に沿う主噴霧塊Ｆ１と、第２の噴射方向を示す中心軸Ｑ２に沿う副噴霧塊Ｆ２との双方がキャビティ５内に向け噴射される。
【００２６】
図７は、成層燃焼における爆発行程直前の燃料噴霧塊の挙動を示す断面図である。圧縮行程の後期において燃焼室８内に燃料が噴射されると、爆発行程直前において、主噴霧塊Ｆ１のほとんどは、キャビティ５内の吸気側内壁面５ｂに沿って燃焼室８内の吸気側上空に向け拡散する。このため、高濃度の混合気がシリンダ１の中心軸０に対して吸気側に分布される。
【００２７】
一方、副噴霧塊Ｆ２のほとんどは、キャビティ５内の排気側内壁面５ａに沿って燃焼室８内の中央部側上空に向け拡散する。このため、高濃度の混合気が点火プラグ１１の放電電極１１ａ周りに分布される。そして、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２との残りの残噴霧塊同士は、互いにオーバーラップし合って切り離されることなくキャビティ５内に残留する。この結果、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２とによる高濃度の混合気が、燃焼室８内の全体に亘って均質に分布され、点火プラグ１１による点火が行われても、火炎伝播が円滑に行われ、失火を防止することができる。しかも、従前のような未燃燃料を発生させることがないため、良質な排気ガスを得ることができるとともに、燃費を向上させることができる。
【００２８】
図８は、燃料噴霧塊の平面噴射形態を示す横断面図である。図９は、燃焼噴霧塊の噴霧ペネトレーションを示す説明図である。図８に示すように、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２とは、インジェクタ１２の噴射口１２ａからシリンダ１の中心軸Ｏに向けて末広がりで、インジェクタ１２の中心軸Ｑに対して対称な平面扇形の形状を有する。そして、図９に示すように、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２とは、下式（１），（２）で示すような関係を有する。
【００２９】
【数式１】
Ｌ１ＣＯＳα１＝Ｌ２ＣＯＳα２ （１）
β１＞β２ （２）
ここで、
Ｌ１：主噴霧塊のペネトレーション
Ｌ２：副噴霧塊のペネトレーション
α１：主噴霧塊の噴射角度
α２：副噴霧塊の噴射角度
β１：主噴霧塊の噴霧角度
β２：副噴霧塊の噴霧角度
【００３０】
上記の式において、ペネトレーションＬ１は、主噴霧塊Ｆ１の噴射方向を示す中心軸Ｑ１に沿うピストン４の頂面４ａの水平平面Ｘに至る到達距離をいう。ペネトレーションＬ２は、副主噴霧塊Ｆ２の噴射方向を示す中心軸Ｑ２に沿うピストン４の頂面４ａの水平平面Ｘに至る到達距離をいう。噴射角度α１は、シリンダ１の中心軸Ｏと平行なインジェクタ１２の噴射口１２ａを通る鉛直軸Ｙに対する主噴霧塊Ｆ１の噴射方向の中心軸Ｑ１の角度をいう。噴射角度α２は、シリンダ１の中心軸Ｏと平行なインジェクタ１２の噴射口１２ａを通る鉛直軸Ｙに対する副噴霧塊Ｆ２の噴射方向の中心軸Ｑ１の角度をいう。噴霧角度β１は、シリンダ１の中心軸Ｏに向かう主噴霧塊Ｆ１の広がり角度をいう。噴霧角度β２は、シリンダ１の中心軸Ｏに向かう副噴霧塊Ｆ２の広がり角度をいう。
【００３１】
すなわち、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２とは、ピストン４の頂面４ａに同時に到達するように設定されている。その理由は、主噴霧塊Ｆ１は、ピストン４の頂面４ａに到るまでの到達距離Ｌ１が副噴霧塊Ｆ２の到達距離Ｌ２よりも短い（Ｌ１＜Ｌ２）。そして、同一の噴射量比率の下で、主噴霧塊Ｆ１がピストン４の頂面４ａに副噴霧塊Ｆ２よりも先に到達すると、主噴霧塊Ｆ１によるキャビティ５内への過度な燃料供給が行われ、燃焼室８内の燃料分布がキャビティ５側周辺に偏在する。このため、主噴霧塊Ｆ１の噴霧角度β１は、副噴霧塊Ｆ２の噴霧角度β２よりも大きくなっている（β１＞β２）。これにより、主噴霧塊Ｆ１の移動速度は、副噴霧塊Ｆ２の移動速度よりも遅くなる。したがって、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２とが、ピストン４の頂面４ａに同時に到達させることが可能になり、主噴霧塊Ｆ１によるキャビティ５内への過度な燃料供給が抑制される。
【００３２】
ところで、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２との噴射量比率は、ピストン４の上死点において、燃焼室８におけるキャビティ５内の容積とキャビティ５外の容積の比に応じて設定される。この場合、ピストン４の頂面４ａに形成されるキャビティ５の形状、つまり、拡開壁面型キャビティとオーバーハング壁面型キャビティとによって、キャビティ内容積とキャビティ外容積の定義が異なる。拡開壁面型キャビティは、例えば、本実施形態で示すように（図３参照）、排気側内壁面５ａが上方に向け拡開する方向に傾斜する形態（拡開壁面形状）を有する。オーバーハング壁面型キャビティは、図１７に示すような排気側内壁面５ａがオーバーハング面に形成された形態（オーバーハング壁面形状）を有する。このため、拡開壁面型キャビティでは、キャビティ５上方の吸気側傾斜ルーフ面８ａまで含む空間をキャビティ内容積とし、その他の空間をキャビティ外容積と定義する。一方、オーバーハング壁面型キャビティは、キャビティ５の排気側内壁面５ａをオーバーハング面に形成することにより、図１７に示すように、キャビティ５の内壁面５ａに燃料の噴霧塊Ｆが衝突した際、ほとんどの噴霧塊Ｆは吸気側に流動して、キャビティ５内に残留する。このため、オーバーハング壁面型キャビティでは、キャビティ５内のみをキャビティ内容積とし、キャビティ５の上方を含む空間をキャビティ外容積と定義する。そして、キャビティ内容積に相当する比率が、主噴霧塊Ｆ１の噴射量として設定され、キャビティ外容積に相当する比率が、副噴霧塊Ｆ２の噴射量として設定される。
【００３３】
また、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２との間に挟まれる空間は、燃料と空気との混合促進を確保する上で重要である。このため、本実施形態では、図９に示すように、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２との間の間隙角度θが１０°以上に維持されるように、主噴霧塊Ｆ１の噴射方向における中心軸Ｑ１の噴射角度α１が、燃焼室８の形状に応じて設定されている。
【００３４】
さらに、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２との噴射形態としては、例えば、図１０に示すインジェクタ１２の中心軸Ｑと直交する平面Ｚにおける切断面を矢印Ａの方向から見た場合、後述するように、それらの幅方向の断面が偏平な形状を有する。図１１は、噴霧塊の断面形態を示す説明図である。図１１（ａ）は、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２とがインジェクタ１２の中心軸Ｑを通る平面に対して対称的な帯状の分布からなる断面形態を有する。図１１（ｂ）は、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２とがインジェクタ１２の中心軸Ｑを通る平面に対して、互いの幅および厚さの異なる非対称的な帯状の分布からなる断面形態を有する。図１１（ｃ）は、主噴霧塊Ｆ１が複数の円形断面（切断面Ｚに対しては楕円形断面）を有する列状の分布を有する一方、副噴霧塊Ｆ２が帯状に分布し、インジェクタ１２の中心軸Ｑを通る平面に対して対称的な断面形態を有する。図１１（ｄ）は、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２とが複数の円形断面を有する列状の分布を有し、インジェクタ１２の中心軸Ｑを通る平面に対して対称的な断面形態を有する。図１１（ｅ）は、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２とが複数の円形断面を有する分布を有し、インジェクタ１２の中心軸Ｑを通る平面に対して非対称的な断面形態を有する。
【００３５】
このように、本実施形態においては、シリンダ１内に上死点から下死点まで変位自在に設けられたピストン４を有する。このピストン４の頂面４ａには、吸気側に偏在したキャビティ５が形成されている。燃焼室８内には、第１の噴射方向と第２の噴射方向とに燃料を噴射するインジェクタ１２が臨んでいる。第１の噴射方向における燃料の主噴霧塊Ｆ１の中心軸Ｑ１は、キャビティ５内に向かっている。第２の噴射方向における燃料の副噴霧塊Ｆ２の中心軸Ｑ２は、クランク角度が上死点後１００°よりも下死点側にピストン４が位置している状態において、キャビティ５外に向かっている。
【００３６】
そして、高負荷高回転運転時に行われる均一混合燃焼においては、インジェクタ１２から噴射される主副噴霧塊Ｆ２がキャビティ５内に向け噴射されるとともに、副噴霧塊Ｆ２がキャビティ５の上方を越えて燃焼室８の排気側に向け噴射される。これにより、高濃度の混合気がシリンダ１の中心軸０側に対して排気側に分布される。
【００３７】
したがって、圧縮行程後期においては、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２とによる高濃度の混合気が、燃焼室８内の全体に亘って均質に分布される。しかも、燃料の分割噴霧により、噴霧塊Ｆ１，Ｆ２と空気との接触面積が多く確保されることから、燃料と空気との混合速度が速く、気化性に優れる。その結果、燃料の分散性および空気利用率が向上し、従前のような熱効率損が解消され、出力性能および燃費の向上を図ることができるとともに、エンジンの始動から暖気までの低水温状態における煤等の生成を抑制することができる。
【００３８】
一方、低負荷低回転運転時に行われる成層燃焼において、燃料の噴射タイミングが圧縮行程の後期の時点に設定されている。そして、インジェクタ１２から噴射される主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２との双方がキャビティ５内に向け噴射される。これにより、爆発行程直前において、主噴霧塊Ｆ１のほとんどは、キャビティ５内の吸気側内壁面５ｂに沿って燃焼室８内の吸気側上空に向け拡散する。一方、副噴霧塊Ｆ２のほとんどは、キャビティ５内の排気側内壁面５ａに沿って燃焼室８内の中央部側上空に向け拡散する。このため、高濃度の混合気が点火プラグ１１の放電電極１１ａ周りに分布され、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２との残りの残噴霧塊同士は、互いにオーバーラップし合って切り離されることなくキャビティ５内に残留する。この結果、主噴霧塊Ｆ１と副噴霧塊Ｆ２とによる高濃度の混合気が、燃焼室８内の全体に亘って均質に分布され、点火プラグ１１による点火が行われても、火炎伝播が円滑に行われ、失火を防止することができる。しかも、従前のような未燃燃料を発生させることがないため、良質な排気ガスを得ることができるとともに、燃費を向上させることができる。
【００３９】
さらに、主噴霧塊Ｆ１の噴射方向がキャビティ５内に急角度で向かっているため、主噴霧塊Ｆ１のキャビティ５の内底面に対する入射角が深くなる。これにより、キャビティ５の内底面への主噴霧塊Ｆ１の衝突により、燃料の微粒化が速やかに行われるため、気化性に優れる。また、副噴霧塊Ｆ２が点火プラグ１１側に速やかに到達されることから、燃料噴射から点火までの時間が短縮され、クランクシャフト７の１回転当りの時間が短い成層燃焼時の高回転域側においても、十分な効果が発揮される。
【００４０】
なお、上記した実施形態では、高負荷高回転運転での均一混合燃焼における燃焼室８内への燃料の噴射タイミングが、ピストン４の上死点後、１３０°のクランク角度で設定されている。しかしながら、本発明は、これに限定されることがなく、例えば、ボアやストローク、あるいは、燃焼室８等に応じて、クランク角が１００°〜１８０°の範囲で適宜に設定される。また、主噴霧塊Ｆ１および副噴霧塊Ｆ２の噴霧形態は、燃料噴霧量の比率や燃焼室８における燃料の拡散度合い等の調整により適宜に組み合わされる。
【００４１】
【発明の効果】
このように、本発明に係る筒内型噴射エンジンでは、燃焼室内に燃料が２方向に噴射される。そして、均一混合燃焼においては、一方の噴霧塊がキャビティ内に噴射され、他方の噴霧塊がキャビティ外に噴射される。また、成層燃焼においては、双方の噴霧塊がキャビティ内に噴射される。これにより、成層燃焼において良好な熱効率、排気ガスおよび燃焼安定性を維持したまま、均一混合燃焼においても、燃料分散性および空気利用率の低下を防止することができ、熱効率、出力性能および燃費の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態における筒内噴射エンジンの全体構成図
【図２】吸気行程初期における断面図
【図３】高負荷高回転運転での燃料噴射状態を示す断面図
【図４】均一混合燃焼における圧縮行程初期の燃料噴霧塊の挙動を示す断面図
【図５】均一混合燃焼における圧縮行程後期の燃料噴霧塊の挙動を示す断面図
【図６】低負荷低回転運転での成層燃焼における燃料噴射状態を示す断面図
【図７】成層燃焼における爆発行程直前の燃料噴霧塊の挙動を示す断面図
【図８】燃料の噴霧塊の平面噴射形態を示す横断面図
【図９】燃料の噴霧塊のシリンダ中心軸方向に対する噴霧ペネトレーションを示す説明図
【図１０】燃料の噴霧塊の側面噴射形態を示す説明図
【図１１】図１０におけるインジェクタの中心軸と直交する平面に対する噴霧塊の断面形態を示す説明図
【図１２】従来の均一混合燃焼における吸気行程中期の燃料噴射状態を示す断面図
【図１３】圧縮行程初期における燃料拡散状態を示す断面図
【図１４】圧縮行程後期における燃料拡散状態を示す断面図
【図１５】従来の成層燃焼における圧縮行程後期における燃料拡散状態を示す断面図
【図１６】従来の成層燃焼における爆発行程直前の他の燃料拡散状態を示す断面図
【図１７】従来の成層燃焼における爆発行程直前の他の燃料拡散状態を示す断面図
【符号の説明】
Ｅ エンジン本体
１ シリンダ
２ シリンダブロック
２ａ ウォータージャケット
３ シリンダヘッド
４ ピストン
５ キャビティ
５ａ 排気側内壁面
５ｂ 吸気側内壁面
６ コンロッド
７ クランクシャフト
７ａ クランクロータ
８ 燃焼室
８ａ 吸気側傾斜ルーフ面
８ｂ 排気側傾斜ルーフ面
９ａ 吸気ポート
９ｂ 排気ポート
１０ａ 吸気バルブ
１０ｂ 排気バルブ
１１ 点火プラグ
１１ａ 放電電極
１２ インジェクタ
１２ａ 噴射口
１３ インテークマニホールド
１４ スロットルバルブ
１５ エアチャンバ
１６ アクセルペダル
１７ エキゾーストマニホールド
１８ 触媒コンバータ
１９ 排気再循環バルブ（ＥＧＲバルブ）
２０ エンジン制御回路
２１ 制御ユニット
２２ クランク角度センサ
２３ カム角度センサ
２３ａ カム機構
２４ アクセル開度センサ
２５ エアフローセンサ
２６ スロットル開度センサ
２７ マニホールド内圧センサ
２８ ＥＧＲ開度センサ
２９ エンジン水温センサ
Ｆ１ 第１の噴霧塊（燃料）
Ｆ２ 第２の噴霧塊（燃料）
Claims (1)
- 運転状態に応じて、均一混合燃焼または成層燃焼を選択的に行い、第１の噴霧方向と第２の噴霧方向とに燃料を噴射する一のインジェクタが燃焼室内に臨んでおり、かつ、吸気側に偏在したキャビティがピストン頂面に形成されている筒内噴射型エンジンの制御方法において、
均一混合燃焼を行う場合、クランク角度が上死点後１００°よりも下死点側に前記ピストンが位置している状態において、前記第１の噴射方向が前記キャビティ内に向い、かつ、前記第２の噴射方向が前記キャビティ外に向かうタイミングで燃料を噴射するステップと、
成層燃焼を行う場合、圧縮行程において、前記第１の噴射方向と前記第２の噴射方向とが前記キャビティ内に向かうタイミングで燃料を噴射するステップとを有することを特徴とする筒内噴射型エンジンの制御方法。
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