JP2004052602A

JP2004052602A - 筒内噴射式火花点火内燃機関

Info

Publication number: JP2004052602A
Application number: JP2002208423A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Kushibe; 櫛部　孝寛
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-07-17
Filing date: 2002-07-17
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2022-07-17
Also published as: JP4207481B2

Abstract

【課題】成層燃焼と均質燃焼とを切り換えて実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、均質燃焼時には吸気量不足を発生させることなく吸気行程において強い吸気旋回流を気筒内に確実に生成し、成層燃焼時にはこのような強い吸気旋回流を気筒内に生成しないようにして、均質燃焼及び成層燃焼をいずれも良好なものとする。
【解決手段】吸気ポート１は、機関高負荷時の均質燃焼における必要最大量の吸気を通過させることを可能とすると共に、気筒内に供給される吸気量が多いほど気筒内に強い吸気旋回流を生成するように形成され、吸気旋回流を抑制する抑制手段３を具備し、成層燃焼時には抑制手段により吸気旋回流を抑制する。
【選択図】　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備する筒内噴射式火花点火内燃機関は、圧縮行程後半に燃料を噴射することにより、点火時点において着火性の良好な可燃混合気を点火プラグ近傍だけに形成し、気筒内全体としてリーンな混合気を燃焼可能な成層燃焼を実現するものである。
【０００３】
こうして、成層燃焼は燃料消費率の低減に有効であるが、圧縮行程において噴射された燃料を点火までの比較的短い時間で気化させなければならず、一般的な筒内噴射式火花点火内燃機関では、多量の燃料を必要とする機関高負荷時には成層燃焼を断念し、吸気行程で燃料を噴射することにより、点火時点において気筒内に均質混合気を形成する均質燃焼を実施するようになっている。
【０００４】
このように、一般的な筒内噴射式火花点火内燃機関では、成層燃焼と均質燃焼とが切り換えて実施されることとなる。良好な均質燃焼を実現するためには、吸気行程においてタンブル流又はスワール流等の強い吸気旋回流を気筒内に生成することが必要である。強い吸気旋回流は、噴射燃料を十分に攪拌して気筒内に良好な均質混合気を形成することを可能とすると共に、点火時点において気筒内に乱れを発生させ、燃焼速度を早めることを可能とする。
【０００５】
しかしながら、吸気行程において強い吸気旋回流を気筒内に生成して、点火時点において気筒に乱れを発生させると、成層燃焼時において、この乱れが、点火プラグ近傍への可燃混合気の形成を阻害したり、また、点火プラグ近傍に形成された可燃混合気を点火以前に分散させたりして、良好な成層燃焼を実現不可能とする。
【０００６】
このように、良好な均質燃焼を実現するためには気筒内に強い吸気旋回流を生成することが望ましいが、成層燃焼時には点火時点の乱れをもたらす吸気旋回流を気筒内に生成しない方が好ましい。このような相反する要求を満足するために、例えば、二つの吸気ポートの一方をスワールポートとして、吸気を気筒内へ供給する際に、スワール流が必要な時にはスワールポートだけを使用し、スワール流が不必要な時には二つの吸気ポートを使用することが公知である。また、特開平６−１５９０７９号公報には、吸気ポート内をタンブルポートとバイパスポートとに分割して、吸気を気筒内へ供給する際に、タンブル流が必要な時にはタンブルポートだけを使用し、タンブル流が不必要な時には二つのポートを使用することが提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述したようにして、気筒内に強い吸気旋回流を生成したり生成しなかったりすることが可能となるが、これを筒内噴射式火花点火内燃機関において均質燃焼時と成層燃焼時に適用すると、必要吸気量が比較的多い高負荷側の均質燃焼時において、強い吸気旋回流を気筒内に生成するためには、吸気を気筒内へ供給する際にスワールポート又はタンブルポートだけしか使用することができず、吸気ポートの全通路断面積が小さくなって吸気量が不足することとなり、良好な均質燃焼を実現することは不可能である。
【０００８】
従って、本発明の目的は、成層燃焼と均質燃焼とを切り換えて実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、均質燃焼時には吸気量不足を発生させることなく吸気行程において強い吸気旋回流を気筒内に確実に生成し、成層燃焼時にはこのような強い吸気旋回流を気筒内に生成しないようにして、均質燃焼及び成層燃焼をいずれも良好なものとすることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、点火プラグと、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁とを具備して成層燃焼と均質燃焼とを切り換えて実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気ポートは、機関高負荷時の前記均質燃焼における必要最大量の吸気を通過させることを可能とすると共に、気筒内に供給される吸気量が多いほど気筒内に強い吸気旋回流を生成するように形成され、前記吸気旋回流を抑制する抑制手段を具備し、前記成層燃焼時には前記抑制手段により前記吸気旋回流を抑制することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記抑制手段は、吸気弁のリフト量を小さくすることにより前記吸気ポートを通過する吸気量を減少させて気筒内に生成される前記吸気旋回流を弱めることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記抑制手段は、排気弁の閉弁時期を遅角して排気ポートから気筒内へ排気ガスを逆流させて、又は、排気ポートから気筒内へ逆流する排気ガスを増量させて、逆流させた前記排気ガスを気筒内に生成される前記吸気旋回流に衝突させることにより前記吸気旋回流を弱めることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明による請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記吸気旋回流は、気筒内の吸気弁側を下降して排気弁側を上昇する逆タンブル流であり、排気ポートから気筒内へ逆流する排気ガスが前記逆タンブル流を強めるように機能して前記均質燃焼時における強い逆タンブル流が生成され、成層燃焼時には、前記抑制手段として排気弁の閉弁時期を進角し、排気ポートから気筒内へ逆流する排気ガスを減量させて、又は、排気ポートから気筒内へ排気ガスが逆流しないようにして、前記逆タンブル流を強めないようにすることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図である。同図において、１は吸気ポート、２は排気ポートである。吸気ポート１は吸気弁３を介して、排気ポート２は排気弁４を介して、それぞれ気筒内へ通じている。５はピストンであり、６は気筒上部略中心に配置された点火プラグであり、７は気筒上部周囲から気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁である。燃料噴射弁７は、燃料のベーパを防止するために、燃焼室内において吸気流により比較的低温度となる吸気ポート１側に配置されている。
【００１４】
図２はピストン５の平面図である。図１及び２に示すように、ピストン５頂面には、凹状のキャビティ８が形成されている。キャビティ８は、ピストン５頂面の燃料噴射弁７側に偏在している。燃料噴射弁７は、スリット状の噴孔を有し、燃料を厚さの薄い扇状に噴射するものである。成層燃焼を実施するためには、図１及び２に示すように、圧縮行程後半において燃料をピストン５頂面に形成されたキャビティ８内へ噴射する。斜線で示す噴射直後の燃料は液状であるが、吸気との摩擦によって微粒化されてキャビティ８内へ侵入し、次いで、キャビティ８の底壁８ａに沿って進行してキャビティ８の燃料噴射弁に対向する対向側壁８ｂによって点火プラグ６近傍に導かれるまでに気化し、点火時点においては、ドットで示す着火性の良好な可燃混合気となる。こうして、点火プラグ６近傍だけに可燃混合気を形成することにより、気筒内全体としてはリーンな混合気を燃焼可能とする成層燃焼を実現することが意図されている。
【００１５】
厚さの薄い扇状の燃料噴霧は、キャビティ８の底壁８ａに沿って進行する際に幅方向に拡がるために、キャビティ８の底壁８ａの広範囲部分から良好に熱を吸収することができる。キャビティ８の底壁８ａ上を幅方向に拡がった燃料において、燃料中央部は、キャビティ８の対向側壁８ｂによって上方向に向かう速度成分が付与され点火プラグ６近傍へ向かい、燃料両側部は、ピストン平面視において円弧状とされたキャビティ８の対向側壁８ｂに対してそれぞれ鋭角に衝突して、上方向へ向かう速度成分が付与されると共に中央方向へ向かう速度成分も付与され、点火プラグ６近傍へ向かう。
【００１６】
こうして、厚さの薄い扇状の燃料噴霧は、従来の円錐状の燃料噴霧に比較して、点火プラグ６近傍に気化程度の良好な一塊の可燃混合気を形成することができる。それにより、成層燃焼時の燃料噴射量を増加させることが可能となり、燃料消費率の低い成層燃焼を高負荷側へ拡大することができる。しかしながら、本発明は、このような扇状の燃料噴霧を実現する燃料噴射弁を必須の構成要素として有するものではなく、円錐状又は柱状等の燃料噴霧を実現する燃料噴射弁も使用可能である。
【００１７】
ところで、扇状の燃料噴霧によっても、機関高負荷時となって多量の燃料が必要とされる時には、圧縮行程後半だけで燃料を噴射することが時間的に難しくなり、吸気行程で燃料を噴射して均質燃焼が実施される。
【００１８】
良好な均質燃焼を実現するためには、吸気行程で気筒内に強いタンブル流を生成し、このタンブル流によって噴射燃料を十分に微粒化させて攪拌し、点火までに十分に均質化された混合気を形成することが必要である。また、強いタンブル流は点火時点において気筒内に乱れを発生させるために均質燃焼における燃焼速度を速めることができる。
【００１９】
それにより、本実施形態において、吸気ポート１は、機関高負荷時の必要最大量の吸気を通過させることを可能とすると共に、気筒内へ供給される吸気量が多いほど気筒内に強いタンブル流を生成するように、全体的な形状及び気筒内への接続部形成が工夫されている。図３は吸気行程後半を示しており、気筒内に生成されたタンブル流は、矢印で示すように、気筒内の排気弁側を下降し、ピストン５頂面を介して、気筒内の吸気弁側を上昇するように、気筒内を縦方向に旋回する吸気旋回流である。こうして、図４における高回転又は高負荷の第一運転領域Ａでは均質燃焼が実施されるが、この時の比較的多量の吸気は吸気ポート１を介して十分に気筒内へ供給することができると共に、比較的多量の吸気によって気筒内には比較的強いタンブル流が生成される。それにより、十分に均質化された均質混合気が形成されると共に、強いタンブル流に伴う点火時点での気筒内の乱れによって燃焼速度が速められ、良好な均質燃焼を実現することができる。
【００２０】
一方、図４における低回転低中負荷の第二運転領域Ｂ及び中回転低中負荷の第三運転領域Ｃでは成層燃焼が実施される。第二運転領域Ｂでは、必要吸気量は少ないために、吸気ポート１の上流側に配置されたスロットル弁（図示せず）によりポンピング損失がそれほど増大しない程度に吸気量が減少される。それにより、吸気ポート１を介して気筒内へ供給される吸気量が少なくされ、気筒内に生成されるタンブル流は弱いものとなる。このような弱いタンブル流は、成層燃焼時の燃料噴射時期である圧縮行程後半までには消滅するために、可燃混合気の形成を阻害したり、また、形成された可燃混合気を点火以前に分散させるようなことはない。こうして、第二運転領域Ｂにおいては、良好な成層燃焼を実現することができる。
【００２１】
しかしながら、第三運転領域Ｃにおいては、必要吸気量がそれほど少なくはなく、多少はスロットル弁によって吸気量を減少させることはできるが、吸気ポート１を介して、この時の必要吸気量が気筒内へ供給されると、気筒内に生成されるタンブル流は比較的強くなり、圧縮行程後半までに消滅しない。それにより、このままでは、タンブル流によって可燃混合気の形成が阻害されたり、また、形成された可燃混合気が点火以前に分散させられ、良好な成層燃焼を実現することができない。
【００２２】
本実施形態では、第三運転領域Ｃにおいて良好な成層燃焼を実現するために、吸気行程における吸気弁３のリフト量を図３に一点鎖線で示すように小さくしている。この時にスロットル弁は全開され、気筒内へ供給される吸気量は、吸気弁３により減少され、必要吸気量が気筒内へ供給されるようになっている。例えば、スロットル弁により吸気量を減少させた場合には、スロットル弁上流側の吸気流速は遅くなるが、スロットル弁下流側の吸気流速、すなわち、吸気ポート１内の吸気流速は気筒内の負圧によって比較的速くなる。これに対して、吸気弁３により吸気量を減少させた場合には、吸気弁３上流側の吸気流速、すなわち、吸気ポート１内の吸気流速を遅くすることができる。
【００２３】
こうして、吸気は、吸気ポート１を通過する時に気筒内でタンブル流を生成し易いように方向付けされるが、吸気弁３により吸気量を減少させることによって吸気ポート１における吸気流速が遅くなるために、吸気への方向付けが弱まり、気筒内に生成されるタンブル流を弱めることができる。それにより、第三運転領域Ｃにおいて、良好な成層燃焼を実現することができる。第三運転領域Ｃ内における各運転状態に対する所望の吸気量を実現するためには、吸気弁１のリフト量を無段階に変化させることができるリフト量可変機構を使用して吸気弁３だけにより吸気量を制御しても良いが、吸気弁１のリフト量が二段階にしか切り換えることができないリフト量可変機構の場合には、小さい吸気弁３のリフト量を選択し、所望の吸気量が実現されるように、スロットル弁の開度制御を組み合わせても良い。
【００２４】
前述の実施形態では、タンブル流を抑制する抑制手段として吸気弁３を使用したが、図５に示すもう一つの実施形態では、排気弁４を抑制手段として使用している。排気弁４の閉弁時期は、排気効率を高めるために、一般的に吸気上死点直後とされるが、この閉弁時期をさらに遅角すると、吸気行程初期において、排気ポート２から排気ガスが気筒内へ逆流する。本実施形態では、第三運転領域Ｃにおいて、こうして吸気行程初期に排気ポート２から気筒内へ排気ガスを逆流させ、又は、排気ポート２から気筒内へ逆流する排気ガスを増量して、図５に示すように、吸気ポート１から気筒内へ供給される吸気と逆流排気ガスとを衝突させ、吸気の慣性力を弱めて生成されるタンブル流を弱くしている。それにより、第三運転領域Ｃにおいて良好な成層燃焼を実現することができる。
【００２５】
図６は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関のさらにもう一つの実施形態を示している。本実施形態では、吸気ポート１’は、これまで説明した実施形態とは異なり、図６に矢印で示すように、気筒内の吸気側を下降し、ピストン５頂面を介して、気筒内の排気弁側を上昇するように、気筒内を縦方向に旋回する逆タンブル流を気筒内に生成するように形成されている。また、図５に示す実施形態と同様に、排気弁４の閉弁時期を遅角して排気ポート２から気筒内へ排気ガスを逆流させている。この逆流排気ガスは、気筒内の吸気弁側を下降して排気弁側を上昇するように縦方向に旋回しようとし、前述したように、タンブル流に対しては衝突するが、逆タンブル流に対してはそれを強めるように機能する。
【００２６】
こうして、第一運転領域Ａにおいては、吸気ポート１’から気筒内へ供給される吸気により生成される逆タンブル流が、吸気行程初期に排気ポート２から気筒内へ逆流する排気ガス流によって強められ、強い逆タンブル流が気筒内に生成される。もちろん、このような強い逆タンブル流でも、均質燃焼時において吸気行程で噴射された燃料を良好に均質混合気とすることができ、また、点火時点において気筒内に乱れをもたらすために、第一運転領域Ａにおいて良好な均質燃焼を実現することができる。
【００２７】
第二運転領域Ｂにおいては、吸気ポート１’を通過する必要吸気量が少なく、吸気により生成される逆タンブル流は非常に弱くなる。それにより、この逆タンブル流が逆流排気ガスによって強められても、結果として、気筒内の逆タンブル流は弱く、圧縮行程後半には消滅するために、成層燃焼を悪化させることはない。
【００２８】
しかしながら、第三運転領域Ｃにおいては、吸気ポート１’を通過する必要吸気量は比較的多くなり、そのままでは、気筒内に生成される逆タンブル流が逆流排気ガスによって強められると、結果として、気筒内の逆タンブル流は強くなって成層燃焼を悪化させる。それにより、本実施形態では、第三運転領域Ｃにおいて、抑制手段として排気弁４の閉弁時期を進角し、逆流排気ガス量を減少させ、又は、排気ガスが逆流しないようにし、吸気により気筒内に生成される逆タンブル流を強めないようにしている。こうして、圧縮行程後半においても消滅しないような強い逆タンブル流は生成されず、良好な成層燃焼を実現することができる。
【００２９】
これまで説明した実施形態において、良好な均質燃焼を実現するために気筒内に生成する吸気旋回流は、タンブル流又は逆タンブルとしたが、これは本発明を限定するものではなく、気筒内を軸線回りに横旋回するスワール流としても良い。強いスワール流を気筒内に生成すれば、強いタンブル流と同様に、吸気行程で噴射される燃料を良好に微粒化及び攪拌することができ、また、点火時点における気筒内の乱れをもたらすこともでき、均質燃焼を良好なものとすることができる。しかしながら、強いスワール流は圧縮行程後半においても消滅しないために、成層燃焼時においては、やはり、可燃混合気を点火以前に分散させたりして成層燃焼を悪化させる。
【００３０】
それにより、機関高負荷時の均質燃焼における必要最大量の吸気を通過させることを可能とすると共に、気筒内に供給される吸気量が多いほど気筒内に強いスワール流を生成するように吸気ポートが形成されていれば、第一運転領域Ａにおいて良好な均質燃焼を実現することができ、また、必要吸気量の少ない第二運転領域Ｂでは、スワール流が弱まって良好な成層燃焼を実現することができる。さらに、第三運転領域Ｃにおいては、必要吸気量を得るために、吸気弁３のリフト量を小さくして吸気量を減少させれば、スワール流が弱められ、良好な成層燃焼を実現することができる。このようなスワール流の抑制手段として、排気弁の閉弁時期を遅角して気筒内へ排気ガスを逆流させても良く、逆流排気ガスは、スワール流と同一方向に旋回しないために気筒内でスワール流に衝突してスワール流を弱めるように作用する。
【００３１】
ところで、排気ポートから気筒内へ逆流させた排気ガスは、再循環排気ガスと同様に燃焼温度を低下させてＮＯ_Ｘ生成量を減少させる。通常の排気ガス再循環装置を有する場合には、気筒内への逆流排気ガス量を考慮して、再循環排気ガス量を減少させるようにしても良い。また、機関排気系に排気絞り弁が設けられていれば、この排気絞り弁により機関排気系を絞ることにより、吸気行程初期における排気ポート内の排気圧力は高められ、排気弁の閉弁時期を同じとしても気筒内への逆流排気ガス量を増加させることができる。それにより、例えば、第三運転領域Ｃにおいて必要吸気量が比較的多くなって吸気旋回流がかなり強まる時には、排気弁の閉弁時期を遅角すると共に排気絞り弁により機関排気系を絞るようにしても良い。
【００３２】
前述した実施形態において、第二運転領域Ｂでは、必要吸気量が少ないために気筒内に生成される吸気旋回流が弱いとして、抑制手段によって吸気旋回流を弱めることは行っていない。しかしながら、もちろん、この時においても抑制手段によって吸気旋回流をさらに弱めるようにしても良い。また、第二運転領域Ｂにおいても、ポンピング損失低減のためにスロットル弁を全開して第三運転領域Ｃと同様な吸気量を気筒内へ供給する場合には、第三運転領域Ｃと同様に抑制手段によって吸気旋回流を弱めることが必要となる。
【００３３】
【発明の効果】
このように本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、吸気ポートは、機関高負荷時の均質燃焼における必要最大量の吸気を通過させることを可能とすると共に、気筒内に供給される吸気量が多いほど気筒内に強い吸気旋回流を生成するように形成され、成層燃焼時には抑制手段により吸気旋回流を抑制するようになっている。それにより、均質燃焼時には、吸気量不足を発生させることなく吸気行程において強い吸気旋回流を気筒内に確実に生成することができ、また、成層燃焼時には、強い吸気旋回流は抑制手段によって弱められ、強い吸気旋回流を気筒内に生成しないようにすることができるために、均質燃焼及び成層燃焼をいずれも良好なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図である。
【図２】図１の筒内噴射式火花点火内燃機関のピストン平面図である。
【図３】図１の筒内噴射式火花点火内燃機関の吸気行程における概略縦断面図である。
【図４】均質燃焼と成層燃焼とを切り換えるためのマップである。
【図５】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関のもう一つの実施形態を示す概略縦断面図である。
【図６】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関のさらにもう一つの実施形態を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１…吸気ポート
２…排気ポート
３…吸気弁
４…排気弁
５…ピストン
６…点火プラグ
７…燃料噴射弁

Claims

点火プラグと、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁とを具備して成層燃焼と均質燃焼とを切り換えて実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気ポートは、機関高負荷時の前記均質燃焼における必要最大量の吸気を通過させることを可能とすると共に、気筒内に供給される吸気量が多いほど気筒内に強い吸気旋回流を生成するように形成され、前記吸気旋回流を抑制する抑制手段を具備し、前記成層燃焼時には前記抑制手段により前記吸気旋回流を抑制することを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
前記抑制手段は、吸気弁のリフト量を小さくすることにより前記吸気ポートを通過する吸気量を減少させて気筒内に生成される前記吸気旋回流を弱めることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
前記抑制手段は、排気弁の閉弁時期を遅角して排気ポートから気筒内へ排気ガスを逆流させて、又は、排気ポートから気筒内へ逆流する排気ガスを増量させて、逆流させた前記排気ガスを気筒内に生成される前記吸気旋回流に衝突させることにより前記吸気旋回流を弱めることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
前記吸気旋回流は、気筒内の吸気弁側を下降して排気弁側を上昇する逆タンブル流であり、排気ポートから気筒内へ逆流する排気ガスが前記逆タンブル流を強めるように機能して前記均質燃焼時における強い逆タンブル流が生成され、成層燃焼時には、前記抑制手段として排気弁の閉弁時期を進角し、排気ポートから気筒内へ逆流する排気ガスを減量させて、又は、排気ポートから気筒内へ排気ガスが逆流しないようにして、前記逆タンブル流を強めないようにすることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。