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図面 (11)

課題

成層混合気塊燃焼室内に形成し、燃焼状態を良好に維持し、排気物質の排出を抑制しつつ、最大限燃費低減効果を得る。

解決手段

ピストン冠面に凹状に形成されたボウル部と、少なくとも吸気弁の閉時期を可変とすることで吸気量を制御する吸気量制御手段とを有し、高負荷においては主に吸気行程燃料噴射して燃焼室全体略均質混合気を形成して均質燃焼を行い、低負荷においては主に圧縮行程に燃料を噴射してボウル部及びボウル部上空に略均質な混合気を形成して成層燃焼を行う筒内直噴火花点火式内燃機関において、成層燃焼時は少なくともボウル部の当量比を略一定に維持しつつ吸気量制御手段により吸気量を制御することでエンジン出力の制御を行う。

概要

背景

火花点火機関において、燃料噴射弁から直接筒内に燃料噴射し筒内に成層化した混合気を形成することで大幅な希薄燃焼を行う機関は、特に低負荷において大幅に燃料消費が低減できることが知られている。

概要

成層混合気塊燃焼室内に形成し、燃焼状態を良好に維持し、排気物質の排出を抑制しつつ、最大限燃費低減効果を得る。ピストン冠面に凹状に形成されたボウル部と、少なくとも吸気弁の閉時期を可変とすることで吸気量を制御する吸気量制御手段とを有し、高負荷においては主に吸気行程に燃料を噴射して燃焼室全体略均質な混合気を形成して均質燃焼を行い、低負荷においては主に圧縮行程に燃料を噴射してボウル部及びボウル部上空に略均質な混合気を形成して成層燃焼を行う筒内直噴火花点火式内燃機関において、成層燃焼時は少なくともボウル部の当量比を略一定に維持しつつ吸気量制御手段により吸気量を制御することでエンジン出力の制御を行う。 

目的

噴式火花点火機関最大の課題のひとつは、混合気を成層化した状態に形成することである。直噴式火花点火機関においては、ピストン冠面に凹状のボウル部を形成し、燃料噴射弁からこのボウル部に対して燃料を噴射することで、主に燃焼室のボウル部に成層化した混合気を形成する構成とすることが一般的である。

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請求項1

ピストン冠面に凹状に形成されたボウル部と、少なくとも吸気弁の閉時期を可変とすることで吸気量を制御する吸気量制御手段とを有し、高負荷においては主に吸気行程燃料噴射して燃焼室全体略均質混合気を形成して均質燃焼を行い、低負荷においては主に圧縮行程に燃料を噴射して前記ボウル部及び前記ボウル部上空に略均質な混合気を形成して成層燃焼を行う筒内直噴火花点火式内燃機関において、成層燃焼時は少なくとも前記ボウル部の当量比を略一定に維持しつつ前記吸気量制御手段により吸気量を制御することでエンジン出力の制御を行うことを特徴とする筒内直噴火花点火式内燃機関。

請求項2

成層燃焼時の比較的高負荷においては、前記吸気量制御手段による吸気量の制御を行わずに前記ボウル部及び前記ボウル部上空の当量比を制御することでエンジン出力の制御を行うことを特徴とする請求項1に記載の筒内直噴火花点火式内燃機関。

請求項3

均質燃焼時において、燃焼室全体の当量比を略一定に維持しつつ前記吸気量制御手段により吸気量を制御することでエンジン出力の制御を行うことを特徴とする請求項1または2に記載の筒内直噴火花点火式内燃機関。

請求項4

均質燃焼時の比較的高負荷においては、前記吸気量制御手段による吸気量の制御を行わず、燃焼室全体の当量比を制御することでエンジン出力の制御を行うことを特徴とする請求項3に記載の筒内直噴火花点火式内燃機関。

請求項5

均質燃焼時及び成層燃焼時において、比較的高負荷における当量比によるエンジン出力制御と、比較的低負荷における吸気量によるエンジン出力制御との切替点となる負荷は、それぞれ燃焼室全体または前記ボウル部及び前記ボウル部上空の混合気が希薄燃焼限界となる負荷点であることを特徴とする請求項2または4に記載の筒内直噴火花点火式内燃機関。

請求項6

均質燃焼及び成層燃焼を行う場合の少なくとも一方において、前記吸気量制御手段に加えて、吸気通路に配置されたスロットル弁を併用して吸気量を制御することでエンジン出力の制御を行うことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の筒内直噴火花点火式内燃機関。

請求項7

均質燃焼と成層燃焼を切り替える負荷は、上死点における燃焼室全体の容積に対する上死点における前記ボウル部及び前記ボウル部上空の容積割合αに対して、設定された前記ボウル部及び前記ボウル部上空の最大当量比φmaxを乗じた当量比にて実現される負荷であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の筒内直噴火花点火式内燃機関。

請求項8

当量比とは、新気と燃料の比率に基づいて示されるものに限らず、残留ガスおよび還流された燃焼ガスと新気とを含む筒内ガスと燃料との比率に基づいて示されるものでもあることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の筒内直噴火花点火式内燃機関。

請求項9

前記吸気量制御手段は、クランク軸と吸気弁のカム軸位相を変化させることで、少なくとも吸気弁の閉時期を可変としていることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の筒内直噴火花点火式内燃機関。

請求項10

前記吸気量制御手段は、吸気弁の閉時期と開時期を独立に制御可能であることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の筒内直噴火花点火式内燃機関。

請求項11

成層燃焼時は前記ボウル部及び前記ボウル部上空の当量比を略一定に維持しつつ前記吸気量制御手段により吸気量を制御することでエンジン出力の制御を行うことを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の筒内直噴火花点火式内燃機関。

技術分野

0001

本発明は、筒内直噴火花点火式内燃機関に関する。

0002

火花点火機関において、燃料噴射弁から直接筒内に燃料噴射し筒内に成層化した混合気を形成することで大幅な希薄燃焼を行う機関は、特に低負荷において大幅に燃料消費が低減できることが知られている。

0003

この様な直噴式火花点火機関においては、混合気を着実点火燃焼せしめるために、機関の回転・負荷に応じて、筒内に適切な混合気塊を、確実に成層化した状態で形成することが重要である。

0004

直噴式火花点火機関の例としては、ピストン冠面に凹状に形成した燃焼室に対して燃料噴射弁から高圧で燃料を噴射し、燃焼室側壁衝突した噴霧スワール流に乗って移動することで、点火プラグの周囲に成層化した混合気塊を形成し、機関の負荷に対しては、基本的にこの混合気塊の大きさを変化させることで対応するものがある。(特許文献1を参照)

0005

【特許文献1】
特開平8−35429号公報(第3−5頁、第1−3図)。

0006

一方、内燃機関ポンプロスを減じて燃料消費を低減する別の手法としては、吸気弁の閉時期を機関の負荷に対して遅角し、ポンプロスの発生を回避しつつ吸気量を減じることで、低負荷における燃料消費を改善するものがある。(特許文献2を参照)

背景技術

0007

【特許文献2】
特開5−5430号公報(第4−5頁、第7図)。

0008

直噴式火花点火機関最大の課題のひとつは、混合気を成層化した状態に形成することである。直噴式火花点火機関においては、ピストン冠面に凹状のボウル部を形成し、燃料噴射弁からこのボウル部に対して燃料を噴射することで、主に燃焼室のボウル部に成層化した混合気を形成する構成とすることが一般的である。

0009

この時、エンジン出力の制御は、混合気塊の大きさを制御することで行われるが、この方式では、機関の回転や負荷に応じて、外部に対しては成層化した状態を維持し、かつ内部では噴霧の気化・混合を促進する混合気塊を形成することは困難であり、成層状態が不十分となって未燃HCの排出が増加したり、混合気塊の内部に気化が不十分な部分が残り、スモーク排出の要因となったりするなどの問題点があった。

0010

一方、機関の低負荷時においては、吸気弁の閉時期を遅角することで、いわゆるポンプロスを増大することを回避しつつ、吸気量の制御を行って燃費を改善する方式においては、吸気弁閉時期可変範囲の制限により、吸気絞り弁による吸気量制御を併用する必要があることや、希薄燃焼を行ってポンプロスを低減する場合に比して、燃費の低減率が小さいという問題点があった。

発明が解決しようとする課題

0011

本発明は係る問題点に鑑みなされたもので、機関の運転条件に応じて、内部が十分に気化・混合され、かつ外部に対しては成層化した状態の混合気塊を燃焼室内に形成し、機関の燃焼状態を良好に維持し、排気物質の排出を抑制しつつ、最大限燃費低減効果を得る手段を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0012

そこで、本発明の筒内直噴火花点火式内燃機関は、成層燃焼時はピストン冠面に凹状に形成されたボウル部及び前記ボウル部上空当量比を略一定に維持しつつ、少なくとも吸気弁の閉時期を可変とすることで吸気量を制御する吸気量制御手段により吸気量を制御することでエンジン出力の制御を行うことを特徴としている。

発明の効果

0013

本発明によれば、成層燃焼時において混合気の良好な成層状態を維持しつつ、ポンプロスの増大を回避して燃料消費の低減を行うことが可能となる。

0014

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。

0015

図1は本発明に係る直噴式火花点火機関の第1実施例の構成を示すシステム構成図である。図1において、内燃機関は、シリンダヘッド1、シリンダブロック2およびピストン3からなる燃焼室4を有し、吸気バルブ5および排気バルブ6を介して吸気ポート7から新気を導入および排気ポート8から排気を排出する。燃料噴射弁9は、燃焼室4のほぼ中央に配置され、燃料を直接燃焼室4内に噴射可能である。ピストン3の燃料噴射弁9に対面する部分には、ボウル部3aが形成されており、噴射された燃料は主にこのボウル部3a内に成層化した混合気塊を形成する。燃焼室4内に形成された混合気は、点火プラグ10により、点火・燃焼せしめられる。吸気バルブ5を駆動するカム軸には、クランク軸とカム軸の位相を変化させることで吸気バルブ5の開閉タイミングを制御する吸気量制御手段としての可変バルブタイミング機構5aが具備されている。本内燃機関は、エンジンコントロールユニットECU11によって統合的に制御される。ECU11にはアクセル開度センサ12や水温センサ13およびクランク角センサ14等からの信号が入力され、ECU11内部で必要な処理・演算を行い、燃料噴射弁9、点火プラグ10および吸気バルブ5の可変バルブタイミング機構5a等を制御する。尚、本実施例における内燃機関には、吸気ポート7の吸気上流側となる図1の図示外にスロットル弁が配設されている。

0016

図2は本実施例における、成層燃焼時の混合気形成過程を示したものである。燃料は、燃料噴射弁9からピストン3冠面上に形成されたボウル部3aに向けて噴射される。ボウル部3a底面に衝突した噴霧は、ボウル部3a底面からボウル部3a側壁に沿って巻き上がり、図中Aに示す様な循環流を形成しつつ、気化・拡散・混合が進行する。噴霧の循環流は、ボウル部3a内部だけでなく、その上空の燃焼室部分を含んで形成される。その結果、ボウル部3a及びボウル部3a上空に、内部は均質でありながら燃焼室4の残りの部分とは明確に成層化された混合気塊が形成される。

0017

この混合気塊は点火プラグ10により着火・燃焼せしめられる。以上は、本実施例における成層燃焼時の混合気形成過程の説明である。一方、均質燃焼時においては、燃料噴射弁9から主に吸気行程中に燃料を燃焼室4に噴射し、燃焼室4全体に対して略均質に混合せしめ、圧縮上死点近傍にて点火プラグ10により着火・燃焼せしめられる。

0018

図3は本実施例における、可変バルブタイミング機構5aの動作を説明したものである。通常時においては、吸気バルブ5は上死点近傍で開弁し、下死点しばらく後に閉弁する構成となっている。IVCの遅角時には、クランク軸と吸気カム軸の位相をずらすことにより、吸気バルブ5の閉弁時期が遅角せしめられる。IVCの遅角により、燃焼室4(筒内)に充填される空気の量が減少するため、この遅角量の制御により、吸気量を制御することが可能である。この方法は、上記スロットル弁(図示せず)により吸気量制御を行う場合に比べ、吸入負圧によるポンプロスを発生させないと言う点で燃費上有利な方法である。

0019

図4は、本実施例における、負荷に対する各制御パラメータを示した図である。横軸機関負荷を示しており、T4は全負荷相当、T2は均質燃焼と成層燃焼との切替負荷を示す。

0020

機関の負荷がT2〜T4の間(高負荷)は、通常の火花点火機関と同様の運転を行う。すなわち、負荷の減少に応じて上記スロットル弁(図示せず)によって吸気量を制御する。この時、吸入負圧の発達によりポンプロスが発生する。機関の当量比は、一定値(φ4)に維持される。通常、この当量比(φ4)はいわゆる化学両論比(ストイキ)である。全負荷時には、当量比をストイキよりリッチにして最大出力を得ることが通常であるが、ここではその説明は省略する。

0021

機関の負荷がT0〜T2の間(低負荷)においては、ボウル部3a及びボウル部3a上空に成層化した混合気を形成し、T0〜T2間の負荷において成層燃焼を行う。本発明の要旨は、この際の当量比φ2を一定に維持することにある。本実施例において、成層混合気塊は、ボウル部3a及びボウル部3a上空の空間に形成されるので、基本的に混合気塊の大きさは一定である。一定の大きさの混合気塊に対して、燃焼室4全体の当量比を一定(φ2)に維持しつつエンジン出力制御負荷制御)を行うには、機関負荷の増大に伴って燃料噴射量が増加することから、吸気量を制御する必要がある。この吸気量の制御を、上記スロットル弁によって行えばポンプロスを発生し、成層燃焼機関の最大の利点である燃料消費の低減効果が薄れてしまう。そこで、本実施例では、吸気バルブ5の閉時期を可変とする吸気量制御手段5aにより、この時の吸気量制御を行う。すなわち、低負荷ほど吸気量を減じる必要があるので、IVCが遅角される側へと制御を行い、当量比をφ2に維持する。この時、燃料はほぼボウル部3a及びボウル部3a上空のみに存在しているため、ボウル部3a及びボウル部3a上空の当量比は図4中に点線で示す如くφ2よりは大きめになっている。また、機関の負荷がT0〜T2の間では、体積効率ηvが漸次増加し、負荷がT2となった時点で、体積効率ηvがWOT(スロット全開)相当の値となる。

0022

しかしながら、燃焼室4全体でのトータル当量比がリーンである状態では、NOx排出を抑制する必要があり、ボウル部3a及びボウル部3a上空の当量比はこの点を考慮してφ4すなわちストイキよりもリーンに設定される。

0023

ここで、均質燃焼と成層燃焼を切り替える負荷について規定する。
本発明においては、成層混合気塊がボウル部3a及びボウル部3a上空に、負荷によらず略一定の大きさで形成される。図5に示すように、圧縮上死点における燃焼室4全体の容積Vallに対するボウル部3a及びボウル部3a上空の容積Vbowlの比を、ボウル容積比αとして定義する。この時、ある所定のボウル内最大当量比φmax(リッチ限界)にボウル容積比αを乗じて得られる当量比にて実現される負荷を、均質燃焼と成層燃焼の切替負荷とする。尚、この第1実施例においては、成層燃焼時のボウル部3a及びボウル部上空の当量比がφmaxとなっており、αφmax=φ2となっている。

0024

そして、第1実施例においては、体積効率ηvがWOT(スロットル全開)相当で、燃焼室4全体の当量比がφ2のときに、成層燃焼から均質燃焼に切り換えられる。

0025

以上の説明のように、本実施例によれば、成層燃焼時においてボウル部3a及びボウル部3a上空の当量比を略一定に維持しつつ、ボウル部3a及びボウル部3a上空に均質かつボウル部3a及びボウル部3a上空以外の部分とは明確に成層化された混合気塊を形成でき、ポンプロスの増大を回避しつつ吸気量の制御を行うことが可能となり、成層燃焼時において混合気を良好に燃焼せしめ、燃料消費の低減を行うことが可能となる。

0026

次に、本発明の第2実施例について説明する。この第2実施例におけるシステム構成は、基本的に上述した第1実施例の構成と同一であり、ここでは説明を省略する。本実施例においては、図6に示す負荷に対する各パラメータの制御が前述の第1実施例と異なる。

0027

横軸は機関負荷を示しており、機関負荷がT2〜T4の間(高負荷)は、第1実施例と同様に、通常の火花点火機関と同様の運転を行う。

0028

機関負荷がT0〜T2の間(低負荷)においても、第1実施例と同様に、当量比を一定に維持しつつ、吸気バルブ5の閉時期により吸気量を制御するが、この方法によるエンジン出力制御(負荷制御)は、成層燃焼時における比較的低負荷に限定される。すなわち、負荷T0〜T1の間のみ、燃焼室4全体の当量比を上記φ2よりも小さいφ1(リーン限界)に維持しつつ、吸気バルブ5の閉時期によるエンジン出力制御(負荷制御)を行う。つまり、機関負荷がT0〜T1の間では、体積効率ηvが漸次増加し、機関負荷がT1となった時点で体積効率ηvはWOT(スロットル全開)相当の値となっている。

0029

成層燃焼時の比較的高負荷(T1〜T2の間)においては、ボウル部3a及びボウル部3a上空に形成された成層混合気塊の当量比を変化させることでエンジン出力制御(負荷制御)を行う。すなわち、T1〜T2の間の負荷においては、吸気バルブ5閉時期による吸気量制御は行わず吸気量は略一定(体積効率ηvはWOT相当の値で一定)であり、成層混合気塊の大きさも一定であるが、当量比φが負荷に応じて異なる。この第2実施例におけるボウル部3a及びボウル部3a上空の当量比を図示すると、図6に点線で示す如くとなる。

0030

そして、上述した第1実施例と同様に、体積効率ηvがWOT(スロットル全開)相当で、燃焼室4全体の当量比がφ2のときに(機関負荷がT2のときに)、成層燃焼から均質燃焼に切り換えられる。

0031

以上の説明のように、この第2実施例によれば、成層燃焼時において、燃焼室4全体の当量比が上述した第1実施例に比べより希薄となり、燃料消費のさらなる低減が可能となるという利点があるとともに、可変バルブタイミング機構5aによる吸気量制御の幅が小さくて済むという利点がある。

0032

次に第3実施例について説明する。この第3実施例におけるシステム構成は、基本的に上述した第1実施例に示す構成と同一であり、ここでは説明を省略する。本実施例においては、図7に示す負荷に対する各パラメータの制御が前述の各実施例とは異なる。

0033

横軸は機関負荷を示しており、負荷がT0〜T2の間は成層燃焼を行い、実施例1と同様に、当量比を一定に維持し、吸気バルブ5の閉時期による吸気量制御によってエンジン出力制御(負荷制御)を行う。

0034

一方、機関負荷がT2〜T4の間においては、燃焼室4全体に略均質な混合気を形成し、その当量比は一定に制御されるが、エンジン出力制御(負荷制御)は吸気バルブ5の閉時期による吸気量制御により行われる。

0035

尚、この第3実施例においても、上述した第1実施例と同様に、体積効率ηvがWOT(スロットル全開)相当で、燃焼室4全体の当量比がφ2のときに(機関負荷がT2のときに)、成層燃焼から均質燃焼に切り換えられる。

0036

以上の説明のように、本実施例によれば、均質燃焼時においても、燃焼室全体の当量比を略一定に維持しつつ、スロットル弁によるポンプロスの増大を回避して燃料消費のさらなる低減が可能となるという利点がある。

0037

次に、本発明の第4実施例について説明する。この第4実施例におけるシステム構成は、基本的に上述した第1実施例に示す構成と同一であり、ここでは説明を省略する。本実施例においては、図8に示す負荷に対する各パラメータの制御が前述の各実施例と異なる。

0038

横軸は機関負荷を示しており、成層燃焼時においては、第2実施例と同様に、比較的低負荷である負荷T0〜T1の間では、燃焼室4の当量比をφ1一定に維持しつつ、吸気バルブ5の閉時期による吸気量制御によって負荷制御を行い、比較的高負荷である負荷T1〜T2の間では、吸気量を一定に維持しつつ、燃焼室4の当量比によって負荷制御を行う。

0039

一方、均質燃焼時における比較的低負荷(機関負荷がT2〜T3の間)においては、燃焼室4全体の当量比をφ3に維持しつつ、吸気バルブ5の閉時期による吸気量制御によってエンジン出力制御(負荷制御)行う。ここで、当量比φ3は、φ2<φ3<φmaxとなる値である。

0040

そして、均質燃焼時における比較的高負荷(機関負荷がT3〜T4の間)においては、吸気量を一定に維持しつつ、燃焼室4全体の当量比を変化させることでエンジン出力制御(負荷制御)を行う。すなわち、機関負荷がT3〜T4の間では、燃焼室4全体の当量比が漸次増加し、機関負荷がT4となった時点で当量比はφ4となっている。

0041

尚、この第4実施例においても、上述した第1実施例と同様に、体積効率ηvがWOT(スロットル全開)相当で、燃焼室4全体の当量比がφ2のときに(機関負荷がT2のときに)、成層燃焼から均質燃焼に切り換えられる。

0042

以上の説明のように、本実施例によれば、均質燃焼時において、燃焼室4全体の当量比がより希薄となり、燃料消費のさらなる低減が可能となるという利点があるとともに、可変バルブタイミング機構5aによる吸気量制御の幅が小さくて済むという利点がある。

0043

次に本発明の第5実施例について説明する。この第5実施例におけるシステム構成は、基本的に上述した第1実施例に示す構成と同一であり、ここでは説明を省略する。本実施例においては、図9に示す負荷に対する各パラメータの制御が前述の各実施例と異なる。

0044

すなわち、上述した第1〜第4実施例においては、吸気バルブ5の閉時期により吸気量制御を行っているが、この第5実施例においては、吸気バルブ5の閉時期による吸気量制御とスロットル弁による吸気量制御を併用するものである。

0045

吸気バルブ5の閉時期による吸気量制御は、スロットル弁による吸気量制御に対して、ポンプロスの増大を抑制できるという点で有利ではあるが、可変バルブタイミング機構5aの構造的制約によって、要求される吸気量に対して実際の吸気量が十分に減少出来ないことや、吸気バルブ5の閉時期の過遅角により、混合気に対する有効圧縮比が低下し、燃焼状態に悪影響を及ぼす可能性もある。

0046

この第5実施例においては、各燃焼方式(成層燃焼及び均質燃焼)の比較的低負荷において、吸気バルブ5の閉時期をある所定値まで遅角しても吸気量が十分に制御出来ない場合には、スロットル弁による吸気量制御を併用する。すなわち、図9において、機関負荷がT0〜T1’の間及び機関負荷がT2〜T3’の間では、吸気バルブ5の閉時期は最大遅角位置に固定し、スロットル弁によって吸入負圧を生じることによって吸気量を制御し、燃焼室4内の当量比を一定に維持しつつ、エンジン出力制御(負荷制御)を行う。

0047

尚、この第5実施例においても、上述した第1実施例と同様に、体積効率ηvがWOT(スロットル全開)相当で、燃焼室4全体の当量比がφ2のときに(機関負荷がT2のときに)、成層燃焼から均質燃焼に切り換えられる。

0048

以上の説明のように、この第5実施例によれば、吸気通路に配置されたスロットル弁を併用して吸気量を制御することでエンジン出力制御(負荷制御)を行う構成としたため、可変バルブタイミング機構5aによる吸気量制御の幅が小さくて済むという利点がある。

0049

ここで、上述した第2、第4及び第5実施例においては、各燃焼方式(成層燃焼及び均質燃焼)を実施する負荷範囲内の比較的低負荷および比較的高負荷において、当量比を一定に維持した吸気量制御によるエンジン出力制御(負荷制御)と、吸気量を一定に維持した当量比によるエンジン出力制御(負荷制御)とを切り替える負荷点(T1)を規定する必要がある。

0050

同一負荷においては当量比がリーンである方が燃費に優れるため、比較的高負荷側から低負荷側にかけて徐々に当量比を小さくすることで負荷を減少し、燃焼室4全体またはボウル部3a及びボウル部3a上空の当量比が希薄燃焼限界となった負荷において、当量比によるエンジン出力制御(負荷制御)と吸気量によるエンジン出力制御(負荷制御)とを切り替えることで、最大の燃費低減効果が得られ、また失火の発生を回避出来る。すなわち、希薄燃焼限界となった負荷より低負荷側においては、当量比は希薄燃焼限界当量比に固定し、吸気バルブ5の閉時期による吸気量制御によるエンジン出力制御(負荷制御)を行う構成とするのがよい。

0051

また、上述した各実施例においては、当量比はその定義に従い、混合気中の燃料と空気との比率に基づいて計算されるものとしてきた。しかしながら、成層燃焼機関においては、NOx排出の低減のためにEGRを行うことが通常であり、この場合、当量比の定義としては、混合気中の燃料と空気および既燃ガスとの比率に基づいて計算されるものと置き換えることが出来る。

0052

次に本発明の第6実施例について説明する。

0053

上述した第1〜第5実施例における可変バルブタイミング機構5aは、クランク軸と吸気カム軸の位相をずらすことで、吸気バルブ5の閉時期を制御し吸気量を制御する構成であり、吸気バルブ5の閉時期を遅角すると同時に開時期も遅角するものであった。

0054

しかしながら、この第6実施例においては、吸気バルブ5の開閉時期を可変として吸気量を制御する機構として、吸気バルブ5の開時期と閉時期をそれぞれ制御可能な機構を用いる。機関の構成は、図1に示すものとほぼ類似であるが、可変バルブタイミング機構5aは、上記の如く、吸気バルブ5の閉時期と開時期の両方を独立に制御可能である。この様なバルブタイミング制御が可能な可変動弁機構は多数公知であり、機械的に構成されたものだけでなく、カム軸を有せず電磁気力油圧によって弁を駆動するものであってもよい。

0055

そして、この第6実施例においては、負荷に対する各パラメータの制御は、基本的にすでに説明された第1〜第5実施例のうちのいずれかと同じである。ただし、吸気バルブ5の閉時期を遅角して吸気量を減少する制御を行う場面では、逆に吸気バルブ5の閉時期を進角することで吸気量を減少させる。

0056

この第6実施例においては、吸気バルブの閉時期と開時期を独立に制御可能であるので、吸気バルブ5の閉時期進角時においてもスロットル弁の開時期が一定となるように制御することも可能であるが、開時期についてもある程度進角することでバルブオーバーラップを増大し、内部EGR量を制御することも可能である。内部EGRは、EGRバルブ排気還流通路を使用した外部EGRに対して、制御遅れが生じないなどの利点がある。また、場合によって外部EGRのためのバルブ等を廃止することも可能である。図10は、第6実施例における吸気バルブ5の開閉タイミングを示したものである。

0057

以上の説明のように、この第6実施例によれば、ポンプロスの増大を回避して燃料消費を低減するだけでなく、同時に残留ガス量を制御することでEGR率を制御しNOx排出を低減出来るという利点がある。

0058

以下に上記各実施例から把握し得る本発明の技術的思想について、その効果とともに列記する。

0059

(a) ピストン冠面に凹状に形成されたボウル部と、少なくとも吸気弁の閉時期を可変とすることで吸気量を制御する吸気量制御手段とを有し、高負荷においては主に吸気行程に燃料を噴射して燃焼室全体に略均質な混合気を形成して均質燃焼を行い、低負荷においては主に圧縮行程に燃料を噴射して前記ボウル部及び前記ボウル部上空に略均質な混合気を形成して成層燃焼を行う筒内直噴火花点火式内燃機関において、成層燃焼時は少なくとも前記ボウル部の当量比を略一定に維持しつつ前記吸気量制御手段により吸気量を制御することでエンジン出力の制御を行う。これによって、成層燃焼時において混合気の良好な成層状態を維持しつつ、ポンプロスの増大を回避して燃料消費の低減を行うことが可能となる。

0060

(b) 前記(a)に記載の筒内直噴火花点火式内燃機関において、成層燃焼時の比較的高負荷においては、前記吸気量制御手段による吸気量の制御を行わずに前記ボウル部及び前記ボウル部上空の当量比を制御することでエンジン出力の制御を行う。これによって、成層燃焼時において燃焼室全体の当量比がより希薄となり、燃料消費のさらなる低減が可能となるという利点があるとともに、前記吸気量制御手段による吸気量制御の幅が小さくて済むという利点がある。

0061

(c) 前記(a)または(b)に記載の筒内直噴火花点火式内燃機関において、均質燃焼時において、燃焼室全体の当量比を略一定に維持しつつ前記吸気量制御手段により吸気量を制御することでエンジン出力の制御を行う。これによって、均質燃焼時に吸気絞り弁によるポンプロスの増大を回避して燃料消費のさらなる低減が可能となるという利点がある。

0062

(d) 前記(c)に記載の筒内直噴火花点火式内燃機関において、均質燃焼時の比較的高負荷においては、前記吸気量制御手段による吸気量の制御を行わず、燃焼室全体の当量比を制御することでエンジン出力の制御を行う。これによって、均質燃焼時において燃焼室全体の当量比がより希薄となり、燃料消費のさらなる低減が可能となるという利点があるとともに、前記吸気量制御手段による吸気量制御の幅が小さくて済むという利点がある。

0063

(e) 前記(b)または(d)に記載の筒内直噴火花点火式内燃機関において、均質燃焼時及び成層燃焼時において、比較的高負荷における当量比によるエンジン出力制御と、比較的低負荷における吸気量によるエンジン出力制御との切替点となる負荷は、それぞれ燃焼室全体または前記ボウル部及び前記ボウル部上空の混合気が希薄燃焼限界となる負荷点である。これによって、燃料消費の低減効果を最大限に引き出すことが可能となる。

0064

(f) 前記(a)〜(e)のいずれかに記載の筒内直噴火花点火式内燃機関において、均質燃焼及び成層燃焼を行う場合の少なくとも一方において、前記吸気量制御手段に加えて、吸気通路に配置されたスロットル弁を併用して吸気量を制御することでエンジン出力の制御を行う。これによって、前記吸気量制御手段による吸気量制御の幅が小さくて済むという利点がある。

0065

(g) 前記(a)〜(f)のいずれかに記載の筒内直噴火花点火式内燃機関において、均質燃焼と成層燃焼を切り替える負荷は、上死点における燃焼室全体の容積に対する上死点における前記ボウル部及び前記ボウル部上空の容積割合αに対して、設定された前記ボウル部及び前記ボウル部上空の最大当量比φmaxを乗じた当量比にて実現される負荷である。これによって、機関の制御パラメータマッチングが容易となるという利点がある。

0066

(h) 前記(a)〜(g)のいずれかに記載の筒内直噴火花点火式内燃機関において、当量比とは、新気と燃料の比率に基づいて示されるものに限らず、残留ガスおよび還流された燃焼ガスと新気とを含む筒内ガスと燃料との比率に基づいて示されるものでもある。これによって、燃料消費の低減と、EGRの導入によるNOx排出低減を同時に実現出来るという利点がある。

0067

(i) 前記(a)〜(h)のいずれかに記載の筒内直噴火花点火式内燃機関において、前記吸気量制御手段は、クランク軸と吸気弁のカム軸の位相を変化させることで、少なくとも吸気弁の閉時期を可変としている。これによって、簡便かつ安価な構成で本発明の利点を実現出来るという利点がある。

発明を実施するための最良の形態

0068

(j) 前記(a)〜(i)のいずれかに記載の筒内直噴火花点火式内燃機関において、前記吸気量制御手段は、吸気弁の閉時期と開時期を独立に制御可能である。これによって、ポンプロスの増大を回避して燃料消費を低減するだけでなく、同時に残留ガス量を制御することでEGR率を制御しNOx排出を低減出来るという利点がある。

図面の簡単な説明

0069

(k) 前記(a)〜(j)のいずれかに記載の筒内直噴火花点火式内燃機関において、成層燃焼時は前記ボウル部及び前記ボウル部上空の当量比を略一定に維持しつつ前記吸気量制御手段により吸気量を制御することでエンジン出力の制御を行う。これによって、成層燃焼時において混合気の良好な成層状態を維持しつつ、ポンプロスの増大を回避して燃料消費の低減を行うことが可能となる。

図1
本発明に係る筒内直噴火花点火式内燃機関のシステム構成を示す説明図。
図2
本発明に係る筒内直噴火花点火式内燃機関における成層混合気形成過程を示した説明図。
図3
本発明に係る筒内直噴火花点火式内燃機関におけるバルブタイミングを示した説明図。
図4
本発明の第1実施例における負荷に対する各制御パラメータを示した説明図。
図5
本発明におけるボウル容積比αの定義を示す説明図。
図6
本発明の第2実施例における負荷に対する各制御パラメータを示した説明図。
図7
本発明の第3実施例における負荷に対する各制御パラメータを示した説明図
図8
本発明の第4実施例における負荷に対する各制御パラメータを示した説明図。
図9
本発明の第5実施例における負荷に対する各制御パラメータを示した説明図。
図10
本発明の第6実施例におけるバルブタイミングを示す説明図。
【符号の説明】
1…シリンダヘッド
2…シリンダブロック
3…ピストン
4…燃焼室
5…吸気バルブ
6…排気バルブ
7…吸気ポート
8…排気ポート
9…燃料噴射弁
10…点火プラグ
11…エンジンコントロールユニット(ECU)
12…アクセル開度センサ
13…水温センサ
14…クランク角センサ

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