JP2004278455A

JP2004278455A - 筒内直接噴射火花点火式内燃機関

Info

Publication number: JP2004278455A
Application number: JP2003073173A
Authority: JP
Inventors: Koji Hiratani; 康治平谷; Isamu Hotta; 勇堀田; Masaaki Kubo; 賢明久保; Shunichi Shiino; 俊一椎野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】成層混合気の形成範囲（混合気塊の大きさ）を調整することで、広い負荷範囲において良好な成層燃焼を得る。
【解決手段】低負荷成層運転時には、スワール制御弁１３によりスワール流動を強化し、このスワール流動によって燃料噴射弁１１から噴射された噴霧をシリンダ中心軸付近に集中させ、ピストン４の二重構造のキャビティ１５のうち内側キャビティ１５ｂにより、コンパクトな混合気塊を形成する。その一方、高負荷成層運転時には、スワール流動を弱化し、外側キャビティ１５ａにより、比較的大きな混合気塊を形成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内直接噴射火花点火式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の筒内直接噴射式内燃機関として、特許文献１に示されるようなものがある。
【０００３】
燃料噴射弁は、燃焼室上部から略中空円錐状に燃料を噴射するものであり、噴射される燃料の貫徹力の垂直成分は水平成分より大きく、ピストン頂面にはキャビティが形成され、キャビティは、略円筒状の周壁面と、周壁面に滑らかに接続された底壁面と、底壁面に滑らかに接続された略円錐状の隆起部とを有し、キャビティの周壁面は、圧縮行程末期において、燃料噴射弁から噴射された略中空円錐状の燃料の大部分が鋭角に衝突するように形成され、点火プラグは、キャビティの隆起部の真上近傍に配置されている。これにより、キャビティ上空に成層混合気を生成し、安定した成層燃焼を実現する。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−８２０２８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術において、成層混合気の大きさはおおむねピストンキャビティ形状、すなわちキャビティ容積により決められる。このため、１つの成層運転条件において、安定かつ燃費良く、排気エミッションの少ない燃焼を実現させると、負荷の異なる成層運転条件においては、跳ね返りの懸念がある。例えば、低い負荷での成層運転においては、点火プラグまわりの成層混合気がリーンとなり、安定が悪くなり燃費が悪化する。また例えば、高い負荷での成層運転においては、点火プラグまわりの成層混合気がリッチとなり、スモークやＨＣが増加する懸念がある。
【０００６】
本発明は、このような実状に鑑み、様々な運転条件において、良好な成層燃焼を実現できるようにすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明は、シリンダ中心軸周りに旋回するスワール流動をシリンダ内に生成するスワール生成手段を設け、前記スワール流動の強さを調整することで、噴霧の拡散度合を調整する構成とする。
【０００８】
【発明の効果】
本発明によれば、スワール流動を調整することで成層混合気の形成範囲（混合気塊の大きさ）を調整することが可能となり、広い負荷範囲において良好な成層燃焼を得ることが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に、本発明の一実施形態として、筒内直接噴射火花点火式内燃機関の構成図を示す。
【００１０】
この内燃機関は、燃焼室１と、燃焼室１を形成するシリンダヘッド２と、シリンダブロック３と、ピストン４と、吸気ポート５と、排気ポート６と、吸気弁７と、排気弁８と、吸気弁用カム９と、排気弁用カム１０と、燃料噴射弁１１と、点火プラグ１２と、スワール制御弁１３と、機関コントロールユニット１４とを含んで構成される。
【００１１】
燃料噴射弁１１は、燃焼室（シリンダ）の略中心に配置され、ピストン４へ向けて燃料を噴射することによりシリンダ中心軸に関し略軸対称となる噴霧を形成する。燃料噴射弁１１としては、圧縮行程後半における筒内圧力上昇時にも噴霧形状の変化が小さく、指向性の強いホールノズル噴射弁を用いる。
【００１２】
ピストン４は、その冠面にキャビティ１５を有している。このキャビティ１５は、ピストン冠面のおおむね中央に形成され上方から見て略円形の外側キャビティ１５ａと、この外側キャビティ１５ａの中央部に形成され容積の小さい略円形の内側キャビティ１５ｂとからなる、二重構造である。
【００１３】
外側キャビティ１５ａは、図２を参照し、燃料噴射弁１１からの噴霧が斜めに衝突する底面１５ｃと、この底面１５ｃに連続しかつ衝突後の噴霧進行方向に対し燃料噴射弁１１側に湾曲する曲面１５ｄと、この曲面１５ｄに連続し燃料噴射弁１１の先端近傍を指向する平面１５ｅとを有している。
【００１４】
内側キャビティ１５ｂは、図３を参照し、燃料噴射弁１１からの噴霧が斜めに衝突する底面１５ｆと、この底面１５ｆに連続しかつ衝突後の噴霧進行方向に対し燃料噴射弁１１側に湾曲する曲面１５ｇと、この曲面１５ｇに連続し燃料噴射弁１１の先端近傍を指向する平面１５ｈとを有している。
【００１５】
点火プラグ１２は、燃料噴射弁１１に近接させて、その燃料噴霧で形成した混合気に火花点火できるよう配置される。
スワール制御弁１３は、１気筒につき２本の吸気ポートのうち一方に配置されるか、弁体に切欠きを有するかして、弁軸により任意角度に開閉されることで、シリンダ中心軸周りに旋回する任意強さのスワール流動を生成可能である（スワール生成手段）。
【００１６】
図２と図３を用い、本発明における成層燃焼方式を説明する。
図２に、成層高負荷運転条件における噴霧挙動を示す。噴霧は先ず外側キャビティ１５ａの底面１５ｃに衝突するが、噴霧進行方向とその後噴霧が進行する側のキャビティ壁面とのなす角が鈍角になるよう底面１５ｃの角度が設定されている。その後、噴霧は、角Ｒの曲面１５ｄとこれに続く平面１５ｅとより誘導され進行する。曲面１５ｄと平面１５ｅとによって噴霧の噴射方向速度がもとの噴射された方向へ変換され、結果としてうずのように旋回する流速を持つようになる。この旋回流速により周囲の空気を巻き込み、キャビティ上空に生成される混合気は濃度むらのない均質な混合気となる。
【００１７】
図３に、成層低負荷運転条件における噴霧挙動を示す。この場合、噴霧は内側キャビティ１５ｂに衝突する。外側キャビティ１５ａの場合と同様、噴霧は先ず内側キャビティ１５ｂの底面１５ｆに衝突し、その後、噴霧は、曲面１５ｇと平面１５ｈとより誘導され進行し、噴霧の噴射方向速度がもとの噴射された方向へ変換され、結果としてうずのように旋回する流速を持つようになる。この旋回流速により周囲の空気を巻き込み、キャビティ上空に生成される混合気は濃度むらのない均質な混合気となる。
【００１８】
図４に、スワール流動無し有りの噴霧形状の比較を示す。本発明における成層燃焼方式においては、圧縮行程後半における筒内圧力上昇時にも噴霧形状の変化が小さく、指向性の強いホールノズル噴射弁を用いることより、噴射時期によらずほぼ同一形状の噴霧が噴射される。しかしながら、成層低負荷運転条件において、スワール流動を強化することにより、噴霧の貫徹力が弱められ、シリンダ外周方向への噴霧拡散を抑制する効果が得られる。これら知見は発明者らの筒内シミュレーションにより得られた結果である。
【００１９】
従って、成層低負荷運転条件において、スワール流動を強化することにより、噴霧をシリンダ中心軸付近に集中させ、コンパクトにすることができる。
さらに、成層低負荷運転条件において、噴射時期を、成層高負荷運転条件と比較して、遅角側、おおよそ上死点に近いクランク角度に設定することにより、噴霧がコンパクトの状態で内側キャビティ１５ｂに入り、図３に示したような噴霧挙動および成層混合気が形成できる。
【００２０】
以上、スワール流動と噴射時期との組み合わせ作用により、図３に示した内側キャビティ１５ｂにより形成された混合気塊は、図２に示した外側キャビティ１５ａにより形成された混合気塊と比較して、より小さくなる。さらに、強化された流動による筒内の乱れ強さは、燃焼速度を速める効果があり、燃焼安定性を確保するのが比較的困難な成層低負荷運転条件においても、安定した成層燃焼が期待できる。この高い安定性を利用し、大量のＥＧＲを導入することが可能となり、ＮＯｘの低減も可能となる。これら低負荷運転条件におけるスワール流動は、噴霧の拡散を防ぐため、シリンダ中心軸に対しおよそ水平な流動であることが望ましい。
【００２１】
なお、比較的噴射時期が早期に設定される成層高負荷運転領域において、スワール流動を強化すると、噴霧が拡散しすぎる懸念があり、結果燃費悪化などの跳ね返りが出る。
【００２２】
図５に、機関回転および負荷とスワール流動強さとの関係を示す。成層運転条件の領域は、スワール流動強化を行う成層低負荷運転条件と、スワール流動強化を行わない成層高負荷運転条件の２つの領域に別れる。スワール流動強化を行う成層低負荷運転条件においては、成層安定性が悪化する懸念のある、低負荷条件および高回転条件になるほど、スワール流動を強化するよう設定される。これにより、負荷および回転の異なるあらゆる成層運転領域において、安定して燃費が良く、大量ＥＧＲ導入時にも安定性が高いためＮＯｘも低減可能な成層燃焼が実現できる。
【００２３】
本実施形態によれば、筒内直接噴射火花点火式内燃機関において、シリンダ中心軸周りに旋回するスワール流動をシリンダ内に生成するスワール生成手段を設け、このスワール流動の強さを調整することで燃料噴霧の拡散度合を調整することにより、成層混合気の形成範囲（混合気塊の大きさ）を調整することが可能となり、広い負荷範囲において良好な成層燃焼を得ることが可能となる。
【００２４】
また、本実施形態によれば、低負荷運転時にスワール流動を強化することで燃料噴霧をシリンダ中心軸付近に集中させることにより、低負荷条件に見合った適切な大きさの混合気塊を形成可能となり、成層混合気がリーンとなり安定性悪化の懸念がある低負荷条件においても、安定した成層燃焼を実現できる。
【００２５】
また、本実施形態によれば、成層高負荷運転条件において、成層低負荷運転条件と比較してスワール流動を弱くすることにより、スワール流動強さを各負荷条件において最適に制御することにより、各負荷条件において燃費の良い成層燃焼を実現できる。
【００２６】
また、本実施形態によれば、成層混合気がリーンとなりやすい成層低負荷運転条件において、燃料噴射時期を上死点付近とすることにより、燃料噴射から点火までの時間を短くして、混合気の拡散を抑制し、点火プラグまわりに適切な濃度・大きさの成層混合気を生成できる。
【００２７】
また、本実施形態によれば、成層高負荷運転条件において、成層低負荷運転条件と比較して燃料噴射時期を進角側に設定することにより、燃料噴射から点火までの時間を長くして、適切な濃度の成層混合気を生成でき、燃費が良く、排気エミッションの少ない成層燃焼を実現できる。
【００２８】
また、本実施形態によれば、キャビティを、外側キャビティと内側キャビティとの二重構造とすることにより、成層低負荷運転条件と成層高負荷運転条件における成層混合気の濃度・大きさを適切にできる。
【００２９】
また、本実施形態によれば、スワール流動により燃料噴霧が中心にすぼまる性質を利用し、成層低負荷運転条件において、噴射された燃料が内側キャビティに入るよう、燃料噴射時期とスワール流動強さを最適に制御することにより、成層低負荷運転条件における成層混合気の濃度・大きさを適切にできる。
【００３０】
また、本実施形態によれば、成層高負荷運転条件において、噴射された燃料が外側キャビティに入るよう、燃料噴射時期とスワール流動強さを最適に制御することにより、すなわち、燃料噴霧が中心にすぼまらないようスワール流動を最適に制御することにより、成層高負荷運転条件における成層混合気の濃度・大きさを適切にできる。
【００３１】
また、本実施形態によれば、成層混合気がリーンとなり、負荷が低くなるほど安定性悪化の懸念が大きい成層低負荷運転条件において、負荷が低いほどスワール流動を強くすることにより、燃焼安定性を向上させることができる。
【００３２】
また、本実施形態によれば、回転が高くなるほど安定性悪化の懸念が大きい成層低負荷運転条件において、回転が高いほどスワール流動を強くすること二より、燃焼安定性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す内燃機関の構成図
【図２】成層高負荷運転条件における噴霧挙動を示す図
【図３】成層低負荷運転条件における噴霧挙動を示す図
【図４】スワール流動無し有りの噴霧形状の比較を示す図
【図５】機関回転および負荷とスワール流動強さとの関係を示す図
【符号の説明】
１燃焼室
２シリンダヘッド
３シリンダブロック
４ピストン
５吸気ポート
６排気ポート
７吸気弁
８排気弁
９吸気弁用カム
１０排気弁用カム
１１燃料噴射弁
１２点火プラグ
１３スワール制御弁
１４機関コントロールユニット
１５キャビティ
１５ａ外側キャビティ
１５ｂ内側キャビティ

Claims

点火プラグと、冠面の中央に略円形のキャビティが形成されたピストンと、このピストンへ向けて燃料を噴射することによりシリンダ中心軸に関し略軸対称となる噴霧を形成する燃料噴射弁と、を備え、圧縮行程中に燃料噴射を行って前記キャビティ内およびその上方に成層混合気を形成し、この成層混合気に前記点火プラグで火花点火する筒内直接噴射火花点火式内燃機関において、
シリンダ中心軸周りに旋回するスワール流動をシリンダ内に生成するスワール生成手段を設け、前記スワール流動の強さを調整することで前記噴霧の拡散度合を調整することを特徴とする筒内直接噴射火花点火式内燃機関。
低負荷運転時に前記スワール流動を強化することで前記噴霧をシリンダ中心軸付近に集中させることを特徴とする請求項１記載の筒内直接噴射火花点火式内燃機関。
成層高負荷運転条件において、成層低負荷運転条件と比較してスワール流動を弱くすることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の筒内直接噴射火花点火式内燃機関。
成層低負荷運転条件において、燃料噴射時期を上死点付近とすることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の筒内直接噴射火花点火式内燃機関。
成層高負荷運転条件において、成層低負荷運転条件と比較して燃料噴射時期を進角側に設定することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の筒内直接噴射火花点火式内燃機関。
前記キャビティは、ピストン冠面のおおむね中央に形成され上方から見て略円形の外側キャビティと、この外側キャビティの中央部に形成され容積の小さい略円形の内側キャビティとからなる二重構造であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の筒内直接噴射火花点火式内燃機関。
成層低負荷運転条件において、噴射された燃料が前記内側キャビティに入るよう、燃料噴射時期とスワール流動強さが最適に制御されることを特徴とする請求項６記載の筒内直接噴射火花点火式内燃機関。
成層高負荷運転条件において、噴射された燃料が前記外側キャビティに入るよう、燃料噴射時期とスワール流動強さが最適に制御されることを特徴とする請求項６又は請求項７記載の筒内直接噴射火花点火式内燃機関。
成層低負荷運転条件において、負荷が低いほどスワール流動を強くすることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の筒内直接噴射火花点火式内燃機関。
成層低負荷運転条件において、回転が高いほどスワール流動を強くすることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載の筒内直接噴射火花点火式内燃機関。