JP2005054733A - 筒内直噴式ガソリン機関 - Google Patents

Abstract

【課題】機関回転数が上昇しても低速時と同様にキャビティ１３に噴霧を衝突させて適当な成層混合気を形成できるようにする。
【解決手段】燃焼室５の上面中心に、スワール燃料噴射弁もしくはマルチホール型燃料噴射弁からなる燃料噴射弁１１が設けられ、これに隣接して点火プラグ１２が配置される。ピストン４の冠面中心には、リエントラント型のキャビティ１３が形成され、圧縮行程においてキャビティ１３内に燃料が噴射される。機関高速時には、低速時よりもピストン４が下死点に近い時期から燃料噴射を行い、同時に、燃料噴射圧力をある圧力よりも高くする。これにより噴霧の貫徹力が噴射期間の途中で急激に増加するようになり、キャビティ１３に噴霧が達して良好な混合気が形成されるとともに、噴射終了から点火までの時間を十分に確保できる。
【選択図】図２

Description

この発明は、ピストンのキャビティに向けて筒内で燃料を噴射し、かつ形成された混合気に点火プラグにより火花点火を行う筒内直噴式ガソリン機関の改良に関する。

特許文献１には、成層燃焼を行う筒内直噴式ガソリン機関の一例が開示されている。この特許文献１の筒内直噴式火花点火機関は、ピストンの冠面中心にリエントラント型のキャビティを凹設するとともに、このキャビティに対向して、燃焼室上部のシリンダ中心位置に燃料噴射弁を配置し、シリンダ中心軸線に沿って燃料を噴射するように構成したものであって、燃料噴霧をキャビティ内周面に沿うように衝突させることで、キャビティ中心に向かう循環流を生じさせ、キャビティ上方に適切な成層混合気を生成するようにしている。そして、燃料噴射弁に隣接して配置された点火プラグによって、この成層混合気に点火が行われるようになっている。
特開平１１−８２０２８号公報

上記のような形式の筒内直噴式ガソリン機関にあっては、燃料噴射弁から噴射された噴霧の貫徹力（ペネトレーション）が成層混合気の形成の上で重要である。しかしながら、この噴霧の貫徹力は、機関の回転数や負荷が変化しても、実時間を基準として略一定であり、従って、例えば、機関回転数が上昇すると、混合気の形成が間に合わない、という問題が発生する。そのため、事実上、適切な成層混合気を生成し得る運転条件が非常に限定されたものとなってしまう、という不具合があった。

本発明に係る筒内直噴式ガソリン機関は、ピストン冠面に形成されたキャビティに向けて燃料を噴射する燃料噴射弁と、上記キャビティに衝突した噴霧により形成される混合気に火花点火する点火プラグと、を備えている。そして、上記燃料噴射弁として、噴霧の貫徹力が、噴射初期に急激に増加した後、時間経過に伴い増加量が小さくなる基本的な第１の特性と、噴射期間の途中から急激に貫徹力が増加する第２の特性と、に制御可能な燃料噴射弁が用いられており、機関の運転条件に応じて、第１の特性と第２の特性とに切り換えるようになっている。

例えば、上記燃料噴射弁として、燃料噴射圧力が低いときには第１の特性となり、燃料噴射圧力が高いときに第２の特性となるものを用いることができ、例えば、機関低速域では燃料噴射圧力を低くして第１の特性とし、機関高速域では燃料噴射圧力を高くして第２の特性とすることで、適切な貫徹力の特性を得ることができる。

図１は、本発明に用いられる燃料噴射弁の貫徹力の特性を示したものである。なお、ここでは、貫徹力（ペネトレーション）を、同図（ｂ）のように、噴孔から噴霧先端までの長さによって評価している。従来から直噴式ガソリン機関で一般に用いられているスワール燃料噴射弁や、小さな円形の噴孔を円周方向に複数個配置したいわゆるマルチホール型燃料噴射弁においては、噴射開始からの時間と噴霧貫徹力との関係を見ると、図１に、「Ｐinj＝Ｐ１」として示すような特性となる。これは、燃料噴射圧力ＰinjがＰ１である場合の特性を意味しているが、このように、噴霧の貫徹力の時系列の変化としては、基本的に、噴射初期に急激に増加し、その後、時間経過に伴い増加量が小さくなる特性を有している。換言すれば、ある時点から貫徹力は殆ど増加しない。そして、この特性（基本的な第１の特性）は、概ね一定であり、燃料噴射圧力Ｐinjの変化に対して多少の変化はあるにしても大きな変化はない、と従来は考えられていた。

ところが、ある燃料噴射圧力Ｐcritよりも大きな燃料噴射圧力を与えると、図１に、「Ｐinj＝Ｐ２」として示すように、噴射期間中のある時間から急激に貫徹力が増加する、ということが本発明者の研究の結果明らかとなった。すなわち、噴射の途中で増速する噴霧となる。これが、本発明における第２の特性である。この増速作用の原因は、まず噴霧の液滴が空気に運動量を与えるフェーズ（フェーズ１と呼ぶ）と、運動量が与えられた空気によって逆に浮遊している液滴が噴霧の流動に流されるといったフェーズ（フェーズ２と呼ぶ）と、が存在することによる。従来の当業者の研究では、フェーズ１しか確認されておらず、すなわち噴霧先端より噴孔に近い位置でフェーズ２の現象が起きているため、貫徹力への影響が見られなかった。しかしながら、このフェーズ２の現象が支配的になると、噴射の途中でフェーズ１の噴霧を追い越してしまうため、噴射途中からの噴霧の加速といった現象が起きると思われる。

従って、燃料噴射圧力Ｐinjをある限界の圧力Ｐcritよりも高くすると、第２の特性として、貫徹力が急激に増加する特性が得られる。そして、図１に示すように、噴射圧力Ｐinjを、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４のように、さらに大きく（ここでＰ１＜Ｐ２＜Ｐ３＜Ｐ４である）すると、より急激に貫徹力が増加する。

本発明は、このように噴霧貫徹力が燃料噴射圧力Ｐinjに応じて大きく変化することを利用し、機関運転条件に応じて噴霧貫徹力を得ることで、機関の燃費や排気性能を改善しようとするものである。

本発明では、例えば機関の回転数の低い条件では通常の比較的低い燃料噴射圧力で噴射することにより、貫徹力（ペネトレーション）が比較的短い状態で、キャビティ内で循環する適切な混合気が形成される。一方、高回転時においては、高い燃料噴射圧力を用いることにより、噴霧貫徹力が増加し、実時間として短い時間で混合気形成が可能となり、同一の点火時期で比較して低回転時と同様の混合気場を生成することができる。

また、例えば、低負荷時においては燃料噴射圧力を低くして噴霧貫徹力を小さくすることにより、キャビティ内の一部に部分的に混合気を形成し、また高負荷時においては燃料噴射圧力を高くして噴霧貫徹力を増加させることにより、キャビティ内により均質に混合気場を形成する、といったことができる。

また、理論空燃比よりも若干リーンな状態で噴射しておき、点火直前において、点火のための追加の燃料噴射を行い、点火プラグ周りの混合気を最適にすることにより、燃費を向上させることができるといった方法もある。

さらには、低温始動時など機関の冷却水温が比較的低い場合においては、燃料噴霧をピストンに直接衝突させる本方式は、未燃炭化水素の排出が大きくなる懸念があるが、上述したフェーズ２の噴霧の先端は空気の方が液滴よりも速度が大きい状態であるので、局所的ウェーバー数は小さくなり、壁面への液滴の付着量が少なくなる。この特性を有効利用するために、低温始動時に、燃料噴射圧力を大きくして貫徹力を大きくすることも効果的である。

なお、以上の説明では、燃料噴射圧力Ｐinjによって噴霧貫徹力を可変制御するものとして説明したが、噴孔の数を可変制御可能な燃料噴射弁を用い、その噴孔の数を変えることで噴霧貫徹力の特性を変化させるようにしてもよく、あるいは、噴孔の径を可変制御可能な燃料噴射弁を用い、その噴孔の径を変えることで噴霧貫徹力の特性を変化させることもできる。

この発明によれば、燃料噴射弁から噴射された噴霧の貫徹力を機関運転条件に応じて変化させるので、より広い運転条件の下で成層燃焼を実現でき、かつ高速域などでの排気の悪化を回避することができる。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図２は、本発明に係る筒内直噴式ガソリン機関の一実施例の機械的構成を示している。図示するように、シリンダヘッド１と、シリンダブロック２のシリンダ３と、ピストン４と、によって燃焼室５が形成されている。この燃焼室５は、吸気弁６を介して吸気ポート７と連通し、排気弁８を介して排気ポート９と連通している。吸気弁６は、吸気弁用カムシャフト２１によって開閉駆動され、排気弁８は、排気弁用カムシャフト２２によって開閉駆動される。

上記燃焼室５の上面つまりシリンダヘッド１側の天井面の略中心位置に、ピストン４ヘ向かって燃料を噴射する燃料噴射弁１１が設けられている。この燃料噴射弁１１の噴霧中心線は、シリンダ中心軸線と一致している。そして、この燃料噴射弁１１に隣接して点火プラグ１２が配置されており、その先端の電極部が燃焼室５中央付近に位置している。上記の燃料噴射弁１１および点火プラグ１２は、エンジンコントロールユニット２３からの信号に基づいて制御され、機関運転条件に応じた時期に、燃料噴射および点火が行われる。ここで、上記燃料噴射弁１１には、図示しない高圧燃料ポンプにより加圧された比較的高い圧力の燃料がプレッシャレギュレータ（図示せず）により所望の燃料噴射圧力に調圧された上で導入され、燃料噴射弁１１が開弁したときに噴射されるようになっているが、上記プレッシャレギュレータの設定圧力つまり燃料噴射圧力が、上記エンジンコントロールユニット２３からの制御信号によって、運転条件に応じて可変制御される。

また、上記燃料噴射弁１１と対向するように、ピストン４の冠面の中心位置に、略円筒状のキャビティ１３が形成されている。このキャビティ１３は、リエントラント型をなし、成層燃焼時には、主としてキャビティ１３内およびその上空に、成層混合気が形成される。

このように構成されたガソリン機関では、主に圧縮行程中（特に、圧縮行程後半）に燃料噴射を行うことで成層燃焼運転を実現し、燃費を向上させるリーン混合気による運転が可能である。そして、特に、機関低速域と機関高速域とで燃料噴射圧力を異ならせることで、噴霧の貫徹力をそれぞれに最適なものとし、それぞれで最適な成層燃焼運転を実現することができる。

以下、これを低速域での混合気形成過程の説明図である図３と高速域での混合気形成過程の説明図である図４とを用いて説明する。

機関回転数が比較的低い場合、燃料は通常の燃料噴射圧力にて噴射する。この燃料噴射は、図３の（ａ）に示すように、圧縮行程後半に行う。燃料噴霧Ｆは、ピストン４に形成されたキャビティ１３を循環して、混合気となって巻き上がる。この混合気が巻き上がると同時に、図３（ｂ）のように、点火プラグ１２が点火を行うことにより、混合気と空気との境界面を明確にでき、確実に成層化ができる。

しかしながら、機関回転数が上昇すると、ピストン４の速度は機関回転数に比例して速くなるので、単位クランク角に対する実時間は短くなる。従って、同じピストン位置にて燃料噴射を行った場合、従来は、実時間で同じ時間を噴射終了までに必要とするため、噴射終了時期と点火時期との間隔が極端に短くなり、気化の時間が十分に確保できずに、すすの発生などを生じてしまう。また、これを避けるために、ピストン４がより下死点に近い位置から早めに噴射をしたとすると、噴射終了時期から点火時期までの時間は低回転域の場合と同じに確保することができるが、最初に噴射された噴霧は、キャビティ１３に衝突せずに拡散してしまい、キャビティ１３内で循環流を起こすことができない、といった現象が生じる。

これに対して、本発明においては、機関回転数が高い場合には、燃料噴射圧力を前述したＰcritよりも高く制御して噴霧の貫徹力を増加させ、かつ同時に、図４（ａ）に示すように、機関低速時よりもピストン４の位置がより下死点に近い早い時期から噴射開始を行うようにする。このようにすれば、噴霧Ｆの高い貫徹力によって、噴孔から離れた位置にあるピストン４のキャビティ１３に噴霧Ｆが届くことになり、確実に混合気場を形成できる。そして、噴射終了後から図４（ｂ）に示す点火までの時間も、十分に確保することができる。

次に、図５および図６は、上記の燃料噴射弁１１として好適なスワール燃料噴射弁の一例を示している。このスワール燃料噴射弁自体は、公知の構成であり、図示するように、噴射弁本体３１の先端中心に円形断面の噴孔３４が開口形成されており、この噴孔３４の入口開口部の周囲に、すり鉢状のテーパ面からなるシート部３４ａが形成されている。噴射弁本体３１内部の中心には、円柱状の針弁３２が軸方向に移動可能に配設され、その先端の円錐形のテーパ部が上記シート部３４ａに着座することで、上記噴孔３４を閉塞している。上記針弁３２は、圧電素子からなるアクチュエータ３３により作動するものであり、噴射弁本体３１に対し移動可能な円板状の隔壁部３８を介して針弁３２基端とアクチュエータ３３先端とが連結されている。隔壁部３８と噴射弁本体３１内周面との間はシールリング３９によってシールされている。上記針弁３２の周囲には、燃料入口３７を通して、図外の燃料ポンプにより加圧された高圧の燃料が導入されている。圧電素子を利用した上記のアクチュエータ３３は、リード線４０を介して所定の電圧が印加されると、その全長が僅かに収縮するので、これに伴って針弁３２がリフトし、噴孔３４が開かれて燃料噴射が行われる。

上記噴射弁本体３１内部の先端側には、針弁３２の先端部を囲むように略円筒状をなすスワールチップ３６が取り付けられている。上記スワールチップ３６の先端面には、図６に示すように、スワールチップ３６の外周部から上記針弁３２が貫通する内周面に達する複数本の燃料案内溝４１が凹設されており、特に、噴孔３４へ向かう燃料流に旋回成分を与えるように、各燃料案内溝４１が針弁３２の接線方向に沿って形成されている。また、スワールチップ３６の外周面に軸方向に沿った複数本の燃料通路溝４２が形成されており、該燃料通路溝４２の下流端に上記燃料案内溝４１がそれぞれ接続されている。

従って、針弁３２がリフトして燃料が噴射される際に、燃料は、各燃料案内溝４１を通して噴孔３４に接線方向から流入し、これによって、燃料噴霧に旋回成分が付与される。この結果、噴霧は、全体として、中空の円錐形状をなすものとなる。

次に、図７および図８は、上記の燃料噴射弁１１として好適なマルチホール型燃料噴射弁の一例を示している。なお、図示例は、噴孔周辺部分を除く基本的な構成は、図５、図６のスワール燃料噴射弁と共通であるので、特に変わらない箇所には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

このマルチホール型燃料噴射弁は、噴射弁本体３１の先端面に、小さな円形の噴孔５１が複数貫通形成されており、かつこれらの噴孔５１は、針弁３２と同心をなす円の円周上に等間隔で配置されている。また、これらの噴孔５１の基端は、中心部のすり鉢状テーパ面からなるシート部３４ａに開口しており、針弁３２の円錐形のテーパ部が上記シート部３４ａに着座することで、各噴孔５１が閉塞されている。そして、各噴孔５１は、それぞれ針弁３２の中心軸線に対し外側を向くように傾斜して形成されている。従って、針弁３２がリフトすると、各噴孔５１から一斉に燃料が噴射され、全体として、中空の円錐形をなすような噴霧が形成される。なお、針弁３２は、前述したスワールチップ３６に代えて、単純なガイド部材５２によって摺動可能に案内されている。

噴霧の貫徹力の時間経過に伴う特性を示した特性図。 この発明に係る筒内直噴式ガソリン機関の一実施例を示す構成説明図。 低速域での混合気形成過程を示す説明図。 高速域での混合気形成過程を示す説明図。 スワール燃料噴射弁の構成を概略的に示す断面図。 図５のＡ−Ａ線に沿った断面図。 マルチホール型燃料噴射弁の構成を概略的に示す断面図。 その先端を図７の矢印Ｂ方向から見た平面図。

符号の説明

４…ピストン
５…燃焼室
１１…燃料噴射弁
１２…点火プラグ
１３…キャビティ

Claims (13)

1. ピストン冠面に形成されたキャビティに向けて燃料を噴射する燃料噴射弁と、上記キャビティに衝突した噴霧により形成される混合気に火花点火する点火プラグと、を備えてなる筒内直噴式ガソリン機関において、
   上記燃料噴射弁として、噴霧の貫徹力が、噴射初期に急激に増加した後、時間経過に伴い増加量が小さくなる基本的な第１の特性と、噴射期間の途中から急激に貫徹力が増加する第２の特性と、に制御可能な燃料噴射弁を用い、
   機関の運転条件に応じて、第１の特性と第２の特性とに切り換えることを特徴とする筒内直噴式ガソリン機関。
2. 上記燃料噴射弁は、燃料噴射圧力が低いときには第１の特性となり、燃料噴射圧力が高いときに第２の特性となることを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴式ガソリン機関。
3. 機関低速域では燃料噴射圧力を低くして第１の特性とし、機関高速域では燃料噴射圧力を高くして第２の特性とすることを特徴とする請求項２に記載の筒内直噴式ガソリン機関。
4. 機関回転数が高いほど高い燃料噴射圧力とすることを特徴とする請求項３に記載の筒内直噴式ガソリン機関。
5. 機関低負荷域では燃料噴射圧力を低くして第１の特性とし、機関高負荷域では燃料噴射圧力を高くして第２の特性とすることを特徴とする請求項２に記載の筒内直噴式ガソリン機関。
6. 機関負荷が高いほど高い燃料噴射圧力とすることを特徴とする請求項５に記載の筒内直噴式ガソリン機関。
7. 機関高負荷域では、燃料噴射圧力を高くして第２の特性とするとともに、複数回に分割して噴射することを特徴とする請求項５または６に記載の筒内直噴式ガソリン機関。
8. 機関の冷却水温が低いときには燃料噴射圧力を高くして第２の特性とし、暖機完了後は燃料噴射圧力を低くして第１の特性とすることを特徴とする請求項２に記載の筒内直噴式ガソリン機関。
9. 上記燃料噴射弁は、噴霧に旋回成分を与えるスワール燃料噴射弁であることを特徴とする請求項２〜８のいずれかに記載の筒内直噴式ガソリン機関。
10. 上記燃料噴射弁は、微細な噴孔を円周上に複数個並べたマルチホール型燃料噴射弁であることを特徴とする請求項２〜８のいずれかに記載の筒内直噴式ガソリン機関。
11. 噴孔の数を可変制御可能な燃料噴射弁を用い、第１の特性とするときには噴孔の数を少なくし、第２の特性とするときには噴孔の数を多くすることを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴式ガソリン機関。
12. 噴孔の径を可変制御可能な燃料噴射弁を用い、第１の特性とするときには噴孔の径を大きくし、第２の特性とするときには噴孔の径を小さくすることを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴式ガソリン機関。
13. 上記燃料噴射弁は、シリンダ中心軸線に沿って燃料を噴射するように燃焼室上部のシリンダ中心位置に配置され、かつピストンの中心位置に、上記キャビティが配置されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の筒内直噴式ガソリン機関。
    

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