JP2018100620A - エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室内における燃料の偏りを抑制する。【解決手段】エンジン１の燃焼室２に接続される吸気ポート３及び排気ポート４と、吸気ポート３内に配置され燃料を噴射する燃料噴射弁１０と、吸気ポート３内を上部ポート１４と下部ポート１３に隔てる隔壁１１と、燃焼室２内に供給された燃料を燃焼させる点火装置７とを備え、燃料噴射弁１０が下部ポート１３内に配置されるエンジンの制御装置とした。上部ポート１４の断面積は下部ポート１３の断面積以上である。上部ポート１４を通じて燃焼室２内の上方寄り空間から排気ポート４側空間へ向かって相対的に燃料濃度が薄い吸気が供給されてタンブル流を形成し、下部ポート１３を通じて燃焼室２内の下方寄り空間へ向かって相対的に燃料濃度が濃い吸気が供給される。【選択図】図１

Description

この発明は、燃焼室内での良好な燃焼を可能とする吸気通路構造を備えたエンジンの制御装置に関する。

エンジンの燃焼室内には、シリンダヘッドに設けられる吸気通路（以下、吸気ポートと称する。）を通じて吸気が供給される。また、吸気ポート内には燃料噴射弁が備えられ、燃料噴射弁から噴射された燃料が吸気とともに燃焼室内で拡散し、その拡散した燃料が、燃焼室内に設けられた点火プラグによって点火されて燃焼する。

例えば、特許文献１では、二つの吸気ポート内にそれぞれ設けられた燃料噴射弁が、燃焼室内の点火プラグを指向するように設定されている。吸気行程中における比較的圧力の低い状態の燃焼室内に、点火プラグを指向して噴射された燃料は、点火プラグ近傍の燃焼室中心付近（平面視中央付近）で衝突し、その燃焼室中心付近でリッチな混合気が形成され成層化されるようになっている。

また、二つの吸気ポートに別れて設けられた二つの燃料噴射弁によって、燃料の噴射が二方向へ分散されるため、燃料噴射量が増加しても、吸気バルブの傘部やステムに付着する燃料の量が少なく、吸気と燃料のミキシングが促進され気化霧化性が向上するとされている。

さらに、燃焼室内の内周面に沿って周方向へのスワール流が形成され、上記二方向の燃料噴射に加えて、スワール流の方向へも燃料が噴射されるようになっているので、吸気と燃料とのミキシングがさらに促進されている。

特開平６−２４９１０９号公報

一般に、吸気ポート内の燃料噴射弁から噴射された燃料は、その貫徹力によって、燃焼室の平面視中央付近を挟んで吸気通路とは反対側、すなわち、排気通路（以下、排気ポートと称する。）側へ向かって直進する傾向がある。燃料が排気ポート側へ直進する傾向が強いと、燃焼室内で、排気ポート寄りの空間は燃料リッチな状態に、吸気ポート寄りの空間は燃料リーンな状態になってしまう。このような燃料の偏りは、燃焼室内における均質な燃焼を阻害し、燃焼効率を低下させる原因となる場合がある。

この点、特許文献１の技術によれば、燃焼室の平面視中央付近で衝突する二つの燃料噴射弁からの燃料噴射に加え、燃焼室内の内周面に沿うスワール流とそのスワール流に沿った燃料噴射が成されるので、吸気ポート側から排気ポート側への燃料の直進はある程度抑制される。

しかし、特許文献１の技術によれば、スワール流が弱い運転条件あるいはスワール流が発生していない運転条件においては、依然として、燃焼室内における燃料の偏りが生じる可能性がある。また、上記のような二つの吸気ポートと二つの燃料噴射弁、スワール流形成手段を備えるエンジン形式以外にも、様々なエンジン形式において、燃焼室内における燃料の偏りはできる限り抑制したいという要請がある。

そこで、この発明の課題は、燃焼室内における燃料の偏りをできる限り抑制することである。

上記の課題を解決するために、この発明は、エンジンの燃焼室に接続される吸気ポート及び排気ポートと、前記吸気ポート内に配置され燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記吸気ポート内を上部ポートと下部ポートに隔てる隔壁と、前記燃焼室内に供給された燃料を燃焼させる点火装置とを備え、前記燃料噴射弁は前記下部ポート内に配置されるエンジンの制御装置を採用した。

ここで、前記上部ポートの断面積は前記下部ポートの断面積以上である構成を採用することができる。

また、前記上部ポートを通じて前記燃焼室内の上方寄り空間から前記排気ポート側空間へ向かって相対的に燃料濃度が薄い吸気が供給されてタンブル流を形成し、前記下部ポートを通じて前記燃焼室内の下方寄り空間へ向かって相対的に燃料濃度が濃い吸気が供給される構成を採用することができる。

これらの各態様において、前記燃焼室から排出される排気ガスの一部を排気還流ガスとして吸気に導入する排気ガス再循環装置を備え、前記排気還流ガスの吸気への導入口は前記上部ポートに備えられる構成を採用することができる。

また、前記燃料噴射弁による燃料の噴射は前記導入口からの前記排気還流ガスの導入開始と同時又はその導入開始の後に行われる構成を採用することができる。

これらの各態様において、前記吸気ポートの前記燃焼室への開口を開閉する吸気バルブを備え、前記燃料噴射弁からの燃料の噴射は少なくとも吸気行程での噴射を含んでおり、前記燃料噴射弁からの燃料の噴射方向は開弁状態における前記吸気バルブの傘裏を指向する構成を採用することができる。

前記燃料噴射弁からの燃料の噴射方向は開弁状態における前記吸気バルブのバルブステムよりも前記燃料噴射弁に近い側を指向する構成を採用することができる。

前記隔壁の下流側端部に誘導部を備え、前記誘導部は前記下部ポートから前記燃焼室内へ供給される吸気の流れを前記燃焼室の筒軸方向下向きに導く構成を採用することができる。

この発明は、吸気ポート内を隔壁によって上部ポートと下部ポートに隔て、吸気ポート内に配置される燃料噴射弁を下部ポート内に配置したので、下部ポート内から噴射された燃料は、上部ポートから供給される吸気によって排気側への直進が抑制される。このため、燃焼室内における燃料の偏りを抑制することができる。

（ａ）（ｂ）（ｃ）は、この発明の実施形態を示す要部縦断面図である。 図１の吸気ポートの断面図である。 （ａ）（ｂ）は他の実施形態を示す要部拡大図である。 燃焼室付近の平面図である。 さらに他の実施形態を示す要部拡大図である。

この発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。図１（ａ）〜（ｃ）は、この実施形態のエンジン１の燃焼室２とシリンダヘッド付近を示す縦断面図である。図２は、吸気ポート３の断面図である。

図１（ａ）に示すように、エンジン１のシリンダ内にはピストンが収容されている。シリンダの上面、内周面、及び、ピストンの上面等により燃焼室２が形成されている。燃焼室２の上部のシリンダヘッドには、燃焼室２内に吸気を送り込む吸気ポート３、燃焼室２から引き出された排気ポート４を備えている。

また、吸気ポート３内には、燃焼室２や吸気ポート３内へ燃料を噴射する燃料噴射弁（インジェクタ）１０を備えている。また、燃焼室２の頂部には、その燃焼室２内に供給された燃料を燃焼させる点火装置７を備えている。

吸気ポート３の燃焼室２への開口である吸気弁孔は、吸気バルブ５によって開閉される。また、同様に、排気ポート４の燃焼室２への開口である排気弁孔も、排気バルブ６によって開閉される。

これらの図面では、この発明に直接関係する吸気側の部材や手段を中心に示し、他の部材等については図示省略している。また、図面では、一つのシリンダのみを示しているが、エンジン１は単気筒であってもよいし、複数のシリンダを備えた多気筒であってもよい。

吸気ポート３の断面形状は、図２に示すように、通路の上面側と下面側とを結ぶ上下方向への最大径が、それに直交する幅方向への最大径よりも小さく設定された、いわゆる横長のオーバル形状となっている。このようなオーバル形状は、吸気ポート３の上流寄りに配置されるインテークマニホールド内の吸気通路から、吸気バルブ５のバルブステム５ｂがシリンダヘッドに支持される箇所であるバルブ支持部付近までの区間において継続している。

吸気ポート３内における吸気バルブ５よりも上流側には、図１（ａ）及び図２に示すように、その吸気ポート３内の空間を、上部ポート１４と下部ポート１３とに隔てる隔壁１１が備えられている。隔壁１１は、吸気通路３の上流側と下流側とを結ぶ吸気流れ方向に対して、一定の長さの範囲で設けられる。

隔壁１１は、図２に示すように、通路の幅方向の内壁間を直線状に結ぶ板状部材であってもよいし、それ以外にも、通路の幅方向の内壁間を吸気ポート３の底面に沿って円弧状に結ぶ板状部材等であってもよい。

隔壁１１は、上部ポート１４内の空間と下部ポート１３内との空間とを必ずしも気密に隔てる必要はない。隔壁１１は、上部ポート１４内の流体の流れと下部ポート１３内の流体の流れが互いに大きく混ざり合うことなく、各ポート１３，１４内の流体が、それぞれ円滑に燃焼室２側へ向かう形状、位置、範囲に設けられていればよい。このため、例えば、隔壁１１は、通路の幅方向の内壁間全長に亘って連続的に設けられていてもよいし、断続的に設けられていてもよい。また、例えば、隔壁１１は、吸気ポート３の吸気流れ方向に対して、連続的に設けられていてもよいし、断続的に設けられていてもよい。

吸気ポート３内に配置される燃料噴射弁１０は下部ポート１３に配置される。燃料噴射弁１０は、吸気ポート３の底面側から下部ポート１３内の空間に向かって噴射口が臨むように配置される。その噴射口から、燃料は、吸気流れ方向に沿って下流側へ向かって噴射される。

このエンジン１を搭載する車両は、電子制御ユニット２０を備えている。電子制御ユニット２０は、吸排気バルブ５，６の開閉制御や燃料噴射の制御、点火時期の制御等を含む、エンジン１や補機類全般の制御を行うほか、車両に搭載された機器類の制御も行う。

下部ポート１３において、燃料噴射弁１０から噴射された燃料は、上流側からの空気とともに燃焼室２へ供給される。また、上部ポート１４においては、燃料の噴射は行われないので、図１（ａ）の矢印Ｉのように、主として上流側からの空気が、燃焼室２へ供給される。

ここで、吸気ポート３の吸気流れ方向に直交する断面において、上部ポート１４の断面積は下部ポート１３の断面積と同じか、あるいは、下部ポート１３の断面積よりも大きく設定されている。上部ポート１４は主たる吸気通路として機能し、下部ポート１３は補助的な吸気通路として機能するので、好ましくは、上部ポート１４の断面積は下部ポート１３の断面積よりも数倍（例えば、２〜３倍程度）大きく設定するのがよい。

燃焼室２内では、上部ポート１４からの吸気が、図１（ｂ）の矢印Ａに示すように、点火装置７の電極７ａ直下である燃焼室内の上方寄り空間を通って、排気ポート４側空間へ向かって供給される。この上部ポート１４からの吸気は、下部ポート１３からの吸気と比較して相対的に燃料濃度が薄いものである。

下部ポート１３からの吸気は、図１（ｂ）の矢印Ｂに示すように、燃焼室２内の下方寄り空間へ向かって供給される。この下部ポート１３からの吸気は、上部ポート１４からの吸気と比較して相対的に燃料濃度が濃いものである。

下部ポート１３内からの燃料を多く含む吸気は、上部ポート１４から供給される大量の吸気によって、排気側への直進が抑制される。すなわち、点火装置７直下や排気バルブ６直下における上部ポート１４経由の吸気の存在が、下部ポート１３経由の燃料の直進を抑えている。このため、燃料噴射弁１０から噴射される燃料の貫徹力を原因とする、燃焼室２内における燃料の排気側への偏りを抑制することができる。

また、この実施形態では、上部ポート１４から供給される吸気は、図１（ｂ）の矢印Ｃに示すように、燃焼室２の内面に沿って反転して円弧状の流れを発生させ、その結果、燃焼室２内に上下方向のタンブル流を形成するようになっている。この矢印Ｃに示すタンブル流は、下部ポート１３から供給される燃料の多い吸気を外側から包み込んでいく。これにより、燃焼室２内には、図１（ｃ）に示すように、筒内空間中央に比較的燃料濃度が高い燃料リッチ部ｂが形成され、その周囲を囲むように比較的燃料濃度の低い燃料リーン部ａが形成される。このようなタンブル流の作用により、燃焼室２内における燃料の排気側への偏りはさらに抑制され、その後の圧縮行程、点火時期に至る間における吸気と燃料のミキシングが促進される。

また、この実施形態では、図１（ａ）に示すように、燃焼室２から排気ポート４側へ排出される排気ガスの一部を、排気還流ガスとして吸気に導入する排気ガス再循環装置８を備えている。

排気還流ガスの吸気への導入口１２は、吸気ポート３の上部ポート１４に配置される。導入口１２は、吸気ポート３の上面側から上部ポート１４内の空間に向かってその開口が臨むように配置される。導入口１２から、排気還流ガスは、吸気流れ方向に沿って下流側へ向かって噴射される。導入口１２は、開閉自在のバルブを備えているので、そのバルブを開放すれば、吸気ポート３内の圧力状態に応じて排気還流ガスが吸気に導入されるようになっている。

なお、吸気ポート３内の導入口１２とは別に、排気ガス再循環装置８による排気還流ガスの吸気への主たる導入口（図示せず）を、吸気ポート３よりもさらに上流側の吸気通路に備えていてもよい。この主たる導入口は、吸気通路内を負圧状態に導くスロットルバルブのすぐ下流側に配置される。

上部ポート１４を通じて排気還流ガスが燃焼室２に供給されることにより、排気還流ガスを燃料リッチ部ｂの外周部に行き渡りやすくできる。このため、ノッキングの発生を抑制でき、点火時期の進角も可能となることから、エンジン性能や燃費が向上する効果も期待できる。

燃料噴射弁１０による燃料の噴射は、エンジン１の吸気行程、圧縮行程、燃焼工程、排気行程で構成される１サイクルにおいて、導入口１２からの排気還流ガスの導入開始と同時に、又は、その導入開始の後に行われるように設定されている。特に、燃料噴射弁１０による燃料の噴射は、導入口１２からの排気還流ガスの導入開始の後に行われることが望ましい。噴射される燃料よりも早く、排気還流ガスが燃焼室２内の上方寄り空間や排気ポート側空間に至ることができるので、燃料を多く含む吸気の排気側への直進を抑制する効果が高くなるからである。

図３（ａ）（ｂ）は、上部ポート１４内への排気還流ガスの導入口１２の設置を行わない実施形態である。このように、上部ポート１４内への排気還流ガスの導入を行わない態様においても、上部ポート１４から供給される吸気（図中の矢印Ａ’参照）によって、下部ポート１３からの燃料を多く含む吸気（図中の矢印Ｂ’参照）が、排気側へ直進することが抑制される点は同様である。また、矢印Ｃ’に示すタンブル流が、下部ポート１３から供給される燃料の多い吸気を、その外側から包み込んでいく効果についても、同様である。

また、燃料噴射弁１０からの燃料の噴射は主として吸気行程で行われ、燃料の噴射量が多い運転領域では、場合によっては圧縮行程の一部でも燃料の噴射が行われる。そして、燃料噴射弁１０からの燃料の噴射方向は、図４に示すように、吸気行程での開弁状態における吸気バルブ５の傘裏（傘部５ａの燃焼室２側とは反対側の面）を指向するように設定されている。燃料の噴射方向が、開弁状態における吸気バルブ５の傘裏を指向することにより、排気側へと直進しようとする吸気の貫徹力が弱められる効果が期待できる。

ここで、燃料の噴射方向が吸気バルブ５の傘裏を指向するとは、燃料噴射弁１０からの燃料の噴射中心線が、吸気バルブ５の傘裏に直接向かっている場合に加え、燃料噴射弁１０からの燃料の噴射中心線が、隔壁１１や吸気ポート３の内壁に当たって跳ね返った結果、間接的に吸気バルブ５の傘裏に向かっている場合も含まれる。

また、その燃料の噴射方向は、図４に示すように、開弁状態における吸気バルブ５のバルブステム５ｂよりも、燃料噴射弁１０に近い側を指向することが望ましい。燃料の噴射方向がバルブステム５ｂよりも燃料噴射弁１０側であれば、吸気側へ下り勾配に設定された傘裏の効果により、排気側の空間へ向かう燃料を減らし、噴射された燃料を吸気側の空間へ誘導することができる。

さらに、燃料の噴射方向は、バルブステム５ｂを避けて設定されることが望ましい。燃料の噴射方向がバルブステム５ｂを避けるために、図４に示すように、燃料の噴射方向を複数方向に分割して設定してもよい。すなわち、並列する各吸気バルブ５のそれぞれにおいて、バルブステム５ｂを挟んで両側に分かれて燃料が噴射されるようにしてもよい。

また、図１（ｂ）や図３（ｂ）に示すように、隔壁１１の下流側端部には、下向きに屈曲する、あるいは、下向きに湾曲する誘導部１１ａが備えられている。誘導部１１ａは、下部ポート１３から燃焼室２内へ供給される吸気の流れを、燃焼室２の筒軸方向下向きに導くことができる。これにより、排気側の空間へ向かう燃料を減らし、噴射された燃料の多くを吸気側の空間へ誘導することができる。

さらに、図５に示す実施形態では、隔壁１１の上流側端部１１ｂよりもさらに上流側の吸気通路に、電動式過給機１５が備えられている。電動式過給機１５は、バッテリ等から供給される電力によりコンプレッサを駆動し、吸気を過給することができる。吸気の圧力が高められることにより、上部ポート１４からの吸気が、燃焼室２内の上方寄り空間や排気ポート側空間に至る力を高めることができる。また、燃焼室２内のタンブル流を強化することができる。

このとき、隔壁１１の上流側端部１１ｂの上流側には、吸気を上部ポート１４側へ導く誘導部材１６が設けられているので、下部ポート１３から供給される吸気の勢いよりも、上部ポート１４から供給される吸気の勢いを高めることができる。

１ エンジン
２ 燃焼室
３ 吸気ポート
４ 排気ポート
５ 吸気バルブ
５ａ 傘部
５ｂ バルブステム
６ 排気バルブ
７ 点火装置
７ａ 電極
８ 排気ガス再循環装置
１０ 燃料噴射弁
１１ 隔壁
１１ａ 誘導部
１１ｂ 上流側端部
１２ 導入口
１３ 下部ポート
１４ 上部ポート
１５ 電動式過給機
１６ 誘導部材
２０ 電子制御ユニット

Claims (8)

1. エンジンの燃焼室に接続される吸気ポート及び排気ポートと、
   前記吸気ポート内に配置され燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記吸気ポート内を上部ポートと下部ポートに隔てる隔壁と、
   前記燃焼室内に供給された燃料を燃焼させる点火装置と、
   を備え、
   前記燃料噴射弁は前記下部ポート内に配置される
   エンジンの制御装置。
2. 前記上部ポートの断面積は前記下部ポートの断面積以上である
   請求項１に記載のエンジンの制御装置。
3. 前記上部ポートを通じて前記燃焼室内の上方寄り空間から前記排気ポート側空間へ向かって相対的に燃料濃度が薄い吸気が供給されてタンブル流を形成し、
   前記下部ポートを通じて前記燃焼室内の下方寄り空間へ向かって相対的に燃料濃度が濃い吸気が供給される
   請求項１又は２に記載のエンジンの制御装置。
4. 前記燃焼室から排出される排気ガスの一部を排気還流ガスとして吸気に導入する排気ガス再循環装置を備え、
   前記排気還流ガスの吸気への導入口は前記上部ポートに備えられる
   請求項１〜３の何れか１項に記載のエンジンの制御装置。
5. 前記燃料噴射弁による燃料の噴射は前記導入口からの前記排気還流ガスの導入開始と同時又はその導入開始の後に行われる
   請求項４に記載のエンジンの制御装置。
6. 前記吸気ポートの前記燃焼室への開口を開閉する吸気バルブを備え、
   前記燃料噴射弁からの燃料の噴射は少なくとも吸気行程での噴射を含んでおり、
   前記燃料噴射弁からの燃料の噴射方向は開弁状態における前記吸気バルブの傘裏を指向する
   請求項１〜５の何れか１項に記載のエンジンの制御装置。
7. 前記燃料噴射弁からの燃料の噴射方向は開弁状態における前記吸気バルブのバルブステムよりも前記燃料噴射弁に近い側を指向する
   請求項６に記載のエンジンの制御装置。
8. 前記隔壁の下流側端部に誘導部を備え、
   前記誘導部は前記下部ポートから前記燃焼室内へ供給される吸気の流れを前記燃焼室の筒軸方向下向きに導く
   請求項１〜７の何れか１項に記載のエンジンの制御装置。

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