(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランク角度により燃料噴射タイミングを制御する筒内噴射エンジンの筒内噴射制御装置において、
吸気弁の周縁近傍に燃料噴射弁が設けられ、
ピストン上面は、全体的に略平坦に形成され、
上死点より後の吸気行程初期に噴射禁止範囲を設け、必要とする燃料噴射のクランク角範囲が所定の角度以上になった場合に、この噴射禁止範囲を挟んでその前後の２段階で燃料を噴射し、前記噴射禁止範囲を挟んでその後の燃料噴射の噴き終りのタイミングは、常にほぼ吸気カムの最大リフト時のクランク角であることを特徴とする筒内噴射制御装置。
【請求項２】
燃料噴射の噴き始めのタイミングは、吸気カムのリフト開始時よりさらに進角側の排気行程領域まで進角可能としたことを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射制御装置。
【請求項３】
前記噴射禁止範囲は、膨張行程開始時の上死点のクランク角を０度としてクランク角が約３７０〜４００度であることを特徴とする請求項２に記載の筒内噴射制御装置。
【請求項４】
可変バルブタイミング機構と連動させて噴射範囲を設定することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の筒内噴射制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射エンジンの燃料噴射制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内噴射エンジンのピストン上面中央部には、噴射燃料を成層状態で上方にガイドして着火性を向上させたり、あるいはタンブル流を形成して燃焼の均一化を図るために燃料噴射弁の噴射口に対向して凹んだキャビティが形成される。
【０００３】
図７は、従来の筒内噴射エンジンの構成を示す。
この筒内噴射エンジンのピストン１の頂部２には、凹所であるキャビティ３が形成され、圧縮行程において、燃料噴射弁４から燃料を、キャビティ３内に向けて直接噴射する。これにより、噴霧がキャビティ３の先端部側で矢印Ａに示すように上方に持ち上げられ、この燃料が点火プラグ５により着火されて燃焼されるように構成されている。
【０００４】
このようにキャビティ３を形成して、ここに燃料を噴射することにより、燃料を上方にガイドして、成層燃料を上方に持ち上げて点火プラグによる着火性を確保するようにしている。成層化により着火部分の混合気を多少濃くすることで希薄混合気の着火性を向上させている。これにより燃料の希薄化が可能になり燃費の向上が図られる。
【０００５】
このような筒内噴射エンジンは、クランク角度センサーを備え、クランク回転角度に応じて燃料噴射弁４の噴射タイミングを制御する筒内噴射制御装置を備えている。この筒内噴射制御装置により、燃料噴射弁のソレノイドを駆動して燃料噴射量に応じて燃料噴射弁を開閉することにより燃料噴射の開始および終了時点を制御している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の筒内噴射エンジンでは、燃料噴射量が増大する高回転高負荷運転領域において、大量の燃料を気化させ、空気とよく混合させるように燃料噴射タイミングを進角させると出力が向上するが、キャビティに集中した燃料が濃くなりすぎてキャビティ内での燃料の気化が不十分となってスモークが発生する。特に上死点の後約３７０〜４００度のクランク角範囲では気化が不十分で気化冷却作用も不十分となりスモークが発生しやすい。このようなスモークゾーンを避けて燃料を噴射するために、スモークゾーン通過後のクランク角で燃料噴射を開始すると、特に高回転で多量の燃料を噴射する場合、噴射時間が長くなって噴射終了のクランク角が遅角側に大きく移行して吸気カムの最大リフト時を越えてしまう。このように噴射タイミングが遅角側に移行すると十分な出力が得られない。特に、吸気カムの最大リフト時を越えると、吸気バルブの吸引による混合気の攪拌作用やピストン上面の均一な気化冷却作用が得られず燃焼による十分なトルクが得られなくなる。
【０００７】
本発明は上記従来技術を考慮したものであって、筒内噴射エンジンにおいて、エンジン出力の向上を図るとともに、スモークの発生を防止して排気エミッションや燃費の向上を図った筒内噴射制御装置の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明では、クランク角度により燃料噴射タイミングを制御する筒内噴射エンジンの筒内噴射制御装置において、吸気弁の周縁近傍に燃料噴射弁が設けられ、ピストン上面は、全体的に略平坦に形成され、上死点より後の吸気行程内に噴射禁止範囲を設け、必要とする燃料噴射のクランク角範囲が所定の角度以上になった場合に、この噴射禁止範囲を挟んでその前後の２段階で燃料を噴射し、前記噴射禁止範囲を挟んでその後の燃料噴射の噴き終りのタイミングは、常にほぼ吸気カムの最大リフト時のクランク角であることを特徴とする筒内噴射エンジンの筒内噴射制御装置を提供する。
【０００９】
この構成によれば、ピストン上面の中央部に燃料を上方にガイドするための、あるいはタンブル流発生のためのキャビティがなく実質上平坦であるため、このキャビティの作用による燃料が過度に濃くなってスモークが発生することがなく、燃焼が安定するとともにピストン上面の気化冷却作用が促進され高出力が得られる。また、この気化冷却作用の促進によりピストン上面全体が均一に冷却され高圧縮比までノックを起こすことなく燃焼可能となり、特に中低速領域でのノック限界が上昇する。また、上死点以降のスモークゾーンを含んで噴射禁止範囲を設定してその前後の２段階で燃料を噴射することにより、エンジン出力を低下させることなくスモークの発生が有効に抑制され、排気エミッションが向上して有害排気ガスの発生が抑制されるとともに燃費の向上が図られる。
【００１１】
また、この構成によれば、燃料噴射の噴き終りを吸気カムの最大リフト近傍のクランク角としているため、燃料噴射中に吸気バルブの吸引による十分な混合気の攪拌作用やピストン上面の均一な気化冷却作用が得られ、安定した燃焼による大きなトルクが得られる。
【００１２】
さらに好ましい構成例では、燃料噴射の噴き始めのタイミングは、吸気カムのリフト開始時よりさらに進角側の排気行程領域まで進角可能としたことを特徴としている。
【００１３】
この構成によれば、実験により確認された吸気カムのリフト開始時よりさらに進角側であって吸気系からの未燃焼ガスが排気系にそのまま抜けることのないクランク角まで噴射タイミングを進角させるため、排気エミッションや燃費を悪化させることなく燃料噴射量を十分に増大して高出力を得ることができる。
【００１４】
さらに好ましい構成例では、前記噴射禁止クランク角範囲は、膨張行程開始時の上死点のクランク角を０度としてクランク角が約３７０〜４００度であることを特徴としている。
【００１５】
この構成では、スモークゾーンが含まれる約３７０〜４００度のクランク角での燃料噴射が禁止されるため、スモークの発生が確実に防止される。
【００１６】
さらに好ましい構成例では、可変バルブタイミング機構と連動させて噴射範囲を設定することを特徴としている。
【００１７】
この構成によれば、可変バルブタイミング機構により、吸気カムおよび排気カムのリフトタイミングやオーバーラップタイミング等が変化した場合に、これらに対応して２段噴射のタイミングや噴射の開始および終了のタイミングが設定されるため、エンジン運転に合わせて常に最適なタイミングで燃料を噴射することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下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、本発明の実施の形態に係るエンジンの構成図であり、図２は、その燃焼室部分の平面図である。
【００１９】
筒内噴射エンジン２０はシリンダブロック２１とその上側に配設されたシリンダヘッド２２とを備える。シリンダブロック２１内にはピストン２３が上下に摺動可能に配設される。
シリンダヘッド２２には、図２に示すように、吸気ポート２４および排気ポート２５が２つづつ形成され、これらを開閉する吸気バルブ２６および排気バルブ２７が各ポートに設けられている。吸気ポート２４および排気ポート２５はそれぞれ吸気通路（マニホルド）２４ａおよび排気通路（マニホルド）２５ａから分岐している。
【００２０】
吸気バルブ２６および排気バルブ２７は、吸気側カムシャフト２８および排気側カムシャフト２９によりそれらの不図示のカムを介して押圧されクランク回転に同期して所定のタイミングで開閉される。
シリンダヘッド２２には、燃料噴射弁３１および点火プラグ３２が配設され、その燃料噴射弁３１の噴射口３１ａおよび点火プラグ３２の先端部３２ａが燃焼室３３に臨んでいる。燃料噴射弁３１は、吸気ポート２４の下側近傍で、その噴射口３１ａを斜め下方に向けてに配置される。点火プラグ３２は、燃焼室３３の平面視において中央で、燃焼室３３の頂部に下端の先端部３２ａを燃焼室３３内に臨ませて上下方向に配設される。
【００２１】
ピストン２３の頂部（上面）２３ａの形状は、全体的に略平坦、この例では幾分皿形状に形成され、従来の筒内噴射エンジンのように中央部に燃料噴射弁からの噴射燃料を集中させて上方にガイドするための、あるいはタンブル流を起こすためのキャビティは形成されず、実質上中央部は平坦である。このようにキャビティのない平坦状のピストン上面に対し、後述する所定の噴射タイミングで燃料噴射弁３１から燃料を噴射することにより、図２の斜線部で示すように、ピストン上面のほぼ全体にわたって均一に燃料が広がって燃焼室に供給される。
【００２２】
これにより、排気残留ガスの熱と、ピストン頂部２３ａの熱とによって、燃料気化がピストン上面全体で均一に促進される。この場合、ピストン上面にセラミックコーティングを施しておけば気化促進作用がさらに高められる。このようにキャビティによる燃料の成層化を伴うことなく、ピストン上面にほぼ均一に燃料を噴射して均一な気化作用を得ることにより、吸気の気化冷却が促進されるとともにノッキングが抑制されノック限界の圧縮比が高められるため、出力の向上が図られる。また、過濃燃料によるスモークの発生が抑制され排気エミッションの向上および燃費の向上が図られる。
【００２３】
図３は、本発明に係る筒内噴射エンジンのピストン部分の別の形状例を示す断面図であり、図４は、そのピストンの平面図である。この例では、ピストン２３の頂部２３ａに燃料噴射弁３１用の逃げ部４０、吸気バルブ２６の逃げ部となる吸気用バルブリセス４１および排気バルブ２７の逃げ部となる排気用バルブリセス４２が形成されている。このような逃げ部４０やバルブリセス４１，４２は、ピストンが上昇したときにピストン上面が燃料噴射弁３１の噴射口３１ａや吸・排気バルブ２６，２７に当らないようにしてピストン上死点の位置をできるだけ高くして圧縮比を高めるためのものであり、ピストン頂部２３ａの中央部には従来の筒内噴射エンジンに設けられていたキャビティは形成されてなく実質上平坦である。このような形状のピストン２３においても前述の図１、図２の例とほぼ同様の作用効果が得られる。
本発明でいう全体的に略平坦に形成されたピストン上面とは、従来の筒内噴射エンジンに設けられていたキャビティが形成されていないピストン上面であって、図１に示すように、略皿形状に凹むピストン上面と、図３に示すように、燃料噴射弁用の逃げ部４０とバルブリセス４１，４２とが形成されているピストン上面とをいう。
【００２４】
図５は、上記本発明に係る筒内噴射エンジンの燃料噴射弁３１の噴射タイミングを従来例と比較して説明する図である。（ａ）〜（ｆ）はそれぞれクランク角に対応して、（ａ）は吸気カムのリフト動作、（ｂ）は排気カムのリフト動作、（ｃ）はピストン行程、（ｄ）は従来の噴射タイミング、（ｅ）は別の従来の噴射タイミング、（ｆ）は本発明による噴射タイミングを示す。図５においては、膨張行程開始時の上死点のクランク角を０度として描いてある。
【００２５】
（ｄ）の従来例では、吸気行程の上死点（ＴＤＣ）後、３７６度で燃料を噴き始め、４６０度で噴き終えている。しかしながら、この噴射タイミングでは、上死点後の気化不十分な状態に起因するスモークゾーンＳ（運転状態に応じほぼ３７０〜４００度の範囲内に発生する）で噴射されるため、スモークが発生し、出力、エミッションおよび燃費の面で好ましくない。
【００２６】
そこで従来例（ｅ）では、噴き始めのタイミングをスモークゾーンを避けて３９６度としている。ところがこのように噴き始めのタイミングをずらせると、噴射期間が全体的に遅角側に移行して噴き終わりのタイミングが吸気カムの最大リフト時を越えてしまう。このように噴射タイミングが遅角側に移行すると十分な出力が得られなくなり、特に吸気カムの最大リフト時を越えると、吸気バルブの吸引による混合気の攪拌作用やピストン上面の均一な気化冷却作用が得られず燃焼による十分なトルクが得られなくなる。
【００２７】
これに対し本発明では、（ｆ）に示すように、３７０〜４００度を噴射禁止範囲Ｋとしてその前後の２段階で燃料噴射を行っている。すなわち、禁止範囲Ｋの進角側のＡ区間（３５３〜３７０度）で噴射し、その後禁止範囲Ｋの遅角側のＢ区間（４００〜４６５度）で噴射する。この禁止区間ＫはスモークゾーンＳを含んだ範囲である。この場合、Ｂ区間の噴き終わりは常に吸気カムの最大リフト時（ほぼ４６５度）と一致またはその近傍に固定する。
前記スモークゾーンＳは、吸気の流入量がそれほど多くない流速の遅い吸気行程の初期であって、吸気弁２６の傘部分が燃料噴射範囲の中に入るようなクランク角の範囲である。すなわち、この状態においては、燃料が吸気に乗って流されることなく前記傘部分に付着すると考えられる。吸気弁に燃料が付着すると燃料の気化が損なわれ、不完全燃焼を起こし、スモークが発生し易くなる。これに対して、前記Ａ区間（上死点近傍）においては、吸気弁２６のリフト量が少なく、吸気弁２６の傘部分に燃料が付着し難くなると考えられる。また、前記Ｂ区間においては、吸気の流速が高くなり、吸気弁２６の傘部分に付着する燃料は減少すると考えられる。
【００２８】
噴射量に応じてその噴射クランク角度区間が短い場合には、Ｂ区間のみで噴射し、噴き終りのタイミングを最大リフト時に固定して噴き始めのタイミングを徐々に進角側に移行して長くする。噴き始めのタイミングが４００度まで進角したら、禁止区間Ｋを飛び越えて３７０度まで進角し、そこから再び噴射量（または回転数）により変化するクランク角度区間に応じて噴射開始のタイミングを進角させる。この場合、Ａ区間の噴射開始のタイミングは、吸気カムのリフト開始時（３１２度）よりさらに進角側で排気行程中の約２６０度まで進角させても噴射燃料が排気バルブを通してそのまま抜けないことが実験により確認されている。このような最大進角値から吸気カムの最大リフト時までの範囲Ｆから禁止範囲Ｋを除いた部分が燃料噴射範囲となる。
【００２９】
可変バルブタイミング機構を備えたエンジンの場合には、吸気カムや排気カムのリフト開始終了のタイミングやオーバーラップ区間等が変化する。このような吸気および排気カムのリフト動作のタイミングに合わせて、噴射区間Ａの進角範囲や最大リフト位置に対応した区間Ｂの噴き終わり時点を設定することが望ましい。
【００３０】
このような噴射のタイミングは、ＥＣＵ等のエンジン制御装置に組込まれた噴射制御装置により制御する。例えば、クランク角度センサーからのクランク角信号により計測したエンジン回転数やスロットル開度その他の運転状態データに基づいて最適噴射量をマップ等から算出し、クランク角度に対応して燃料噴射弁の開閉タイミングを算出し、これに応じて燃料噴射弁のソレノイドを駆動する。なお、図示したクランク角度は一例であり、本発明を限定するものではない。
【００３１】
図６は、エンジン回転数に対するエンジン負荷を示すトルク曲線であり、スロットル全開（ＷＯＴ）のグラフである。エンジン負荷が低い状態では区間Ｂ（図５（ｆ）参照）のみで噴射し、エンジン負荷が増加すると区間Ｂとともに区間Ａで噴射して必要なトルクを得る（図６斜線部）。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、ピストン上面の中央部に燃料を上方にガイドするための、あるいはタンブル流発生のためのキャビティがなく実質上平坦であるため、このキャビティの作用である成層化作用によって燃料が過度に濃くなることがなく、燃焼が安定するとともにピストン上面の気化冷却作用が促進され高出力が得られる。また、この気化冷却作用の促進によりピストン上面全体が均一に冷却され高圧縮比までノックを起こすことなく燃焼可能となり、特に中低速領域でのノック限界が上昇する。また上死点以降のスモークゾーンを含んで噴射禁止範囲を設定してその前後の２段階で燃料を噴射することにより、エンジン出力を低下させることなくスモークの発生が有効に抑制され、排気エミッションが向上して有害排気ガスの発生が抑制されるとともに燃費の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る筒内噴射エンジンの構成図。
【図２】  図１のエンジンの燃焼室部分の平面図。
【図３】  本発明に係る別の筒内噴射エンジンの構成図。
【図４】  図３のエンジンのピストンの上面図。
【図５】  本発明の噴射タイミングの説明図。
【図６】  本発明のエンジンのトルク曲線。
【図７】  従来の筒内噴射エンジンの構成図。
【符号の説明】
２０：筒内噴射エンジン、２１：シリンダブロック、
２２：シリンダヘッド、２３：ピストン、２４：吸気ポート、
２５：排気ポート、２６：吸気バルブ、２７：排気バルブ、
２８：吸気カムシャフト、２９：排気カムシャフト、３１：燃料噴射弁、
３２：点火プラグ、３３：燃焼室、４０：逃げ部、
４１，４２：バルブリセス。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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