JP2005139931A - Combustion chamber structure of direct injection internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃焼室内に直接燃料を噴射する内燃機関の燃焼室構造に関し、特に、成層混合気の形成を良好に行うための技術に関する。 The present invention relates to a combustion chamber structure of an internal combustion engine that directly injects fuel into the combustion chamber, and more particularly to a technique for satisfactorily forming a stratified mixture.
従来の筒内直接噴射式内燃機関として、燃焼室上面のほぼ中央部のシリンダヘッドに燃料噴射弁が装着され、シリンダヘッドの排気側から燃焼室中央部に向かって点火プラグが設けられたセンターインジェクション型筒内噴射式内燃機関において、ピストン上面に排気側にオフセットし、排気側底面が深く形成された略断面円形の成層混合気形成用のキャビティを有する。これにより点火プラグ近傍側のキャビティで燃料を比較的長期に渡って保持することが可能となり、幅広い運転領域で成層燃焼可能な筒内噴射式内燃機関を提供できるとしている(特許文献1)。 As a conventional in-cylinder direct injection internal combustion engine, a fuel injection valve is mounted on the cylinder head at the center of the upper surface of the combustion chamber, and a spark plug is provided from the exhaust side of the cylinder head toward the center of the combustion chamber. The in-cylinder injection internal combustion engine has a cavity for forming a stratified mixture having a substantially circular cross section with an offset on the exhaust side on the upper surface of the piston and a deep bottom surface on the exhaust side. As a result, it is possible to hold the fuel in the cavity near the spark plug for a relatively long period of time, and to provide an in-cylinder injection internal combustion engine capable of stratified combustion in a wide operating range (Patent Document 1).
一方、ピストン上面に中央の深皿部とその周囲の浅皿部からなる成層混合気形成用のキャビティを設け、機関負荷に応じて形成される混合気の大きさを制御することが考えられる。つまり、キャビティの大きさによってピストンを経由して形成される混合気塊の大きさを調整する。この場合、シリンダヘッド下面とピストン冠面上部の間隙によって生起されるスキッシュ流が大きい場合でも、スキッシュを発生させる間隙と点火プラグのスパークギャップ位置を遠ざけることが可能となり、スキッシュ流の影響を受けずに混合気形成が可能となる(特許文献2)。
しかしながら、上記特許文献1に記載された発明においては、燃料噴射弁の改良により混合気の早期の均質化が可能となっても、ピストンキャビティが1つのキャビティによって形成されているために、機関負荷が変化した場合、特に、負荷が上昇した場合にキャビティ内およびキャビティ上空に形成される混合気が過濃となることが懸念される。一方、負荷が高い場合にキャビティおよびキャビティ上空に形成される混合気濃度がたとえば理論空燃比近傍の適切な濃度となるようキャビティの大きさを規定した場合、負荷の低い場合には、安定した着火が危ぶまれる。
However, in the invention described in
より詳細に説明すると、ピストン冠面を経由して点火プラグ近傍に混合気を輸送し、キャビティ内に拡散する以前に着火を行う場合、燃料蒸気の混合が不十分で不均質となり、排気性能を悪化させることが考えられる。つまり、NOxやすすの発生を極力抑制するためには、均質な成層混合気塊を形成し、過濃な部位を少なくすることが望まれる。
この場合、燃料噴射弁の改良により混合気の早期の均質化が可能となっても、シリンダヘッド下面とピストン冠面によって圧縮行程後半に生起されるスキッシュ流によって、点火プラグギャップ近傍の混合気が影響され、過度の拡散による希薄化、または高速のガス流によって点火の吹き消え等によって安定燃焼が不可となることが考えられる。
More specifically, when the air-fuel mixture is transported to the vicinity of the spark plug via the piston crown and ignited before being diffused into the cavity, the fuel vapor mixing becomes insufficient and inhomogeneous, and the exhaust performance is reduced. It can be exacerbated. That is, in order to suppress the generation of NOx and soot as much as possible, it is desired to form a homogeneous stratified air-fuel mixture and to reduce the excessively concentrated sites.
In this case, even if the air-fuel mixture can be homogenized at an early stage by improving the fuel injection valve, the air-fuel mixture near the spark plug gap is caused by the squish flow generated in the latter half of the compression stroke by the cylinder head lower surface and the piston crown surface. It is considered that stable combustion becomes impossible due to dilution due to excessive diffusion or blow-off of ignition by high-speed gas flow.
また、上記特許文献2に記載された発明においては、キャビティの浅皿部はバルブリセス形状をしており、上記バルブリセス形状では、噴射された燃料噴霧がリセスとリセスの間からこぼれ、未燃HCの増加が懸念される。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、キャビティ形状の工夫により、良好な性状の成層混合気を生成できるようにした筒内直接噴射式内燃機関の燃焼室構造を提供することを目的とする。
In the invention described in
The present invention has been made paying attention to such a conventional problem, and a combustion chamber structure of a direct injection internal combustion engine in a cylinder which can generate a stratified air-fuel mixture having good properties by devising a cavity shape. The purpose is to provide.
このため本発明は、燃焼室上部に点火プラグと燃料噴射弁を備え、ピストン冠面の略中心付近に略円柱状の外側キャビティと内側キャビティを形成すると共に、前記内側キャビティを、該内側キャビティを経由して混合気形成を行うときに、混合気が2次元的に旋回・混合するように形成し、前記外側キャビティを、該外側キャビティを経由して混合気形成を行うときに、混合気が燃料噴霧軸に対して軸対象な方向に旋回・混合するように形成した構成とした。 For this reason, the present invention includes an ignition plug and a fuel injection valve in the upper part of the combustion chamber, and forms a substantially cylindrical outer cavity and an inner cavity near the approximate center of the piston crown, and the inner cavity is defined as the inner cavity. When the air-fuel mixture is formed via the outer cavity, the air-fuel mixture is formed so as to swirl and mix in two dimensions, and when the air-fuel mixture is formed via the outer cavity, the air-fuel mixture is The fuel spray axis is configured to swirl and mix in the axial direction.
一般的に、均質な混合気の場合、当量比と燃焼性能の関係は図1に示すようになる。つまり、当量比が1付近において燃費、排気性能が最もよくなる。成層燃焼時の混合気も同様であり、混合気分布に大きな分布・バラツキがあると、燃焼性能が悪化する。
一方、当量比が約1の均質な成層混合気を形成しようとすると、噴射した燃料が充分な時間を経て混合する必要がある。噴射された燃料の混合過程に点火を行おうとする場合、燃料噴射弁の特性に依存にした不均質な混合気塊に着火することになり、燃費、排気エミッション等の性能悪化を招くことが考えられる。
In general, in the case of a homogeneous air-fuel mixture, the relationship between the equivalence ratio and the combustion performance is as shown in FIG. That is, fuel efficiency and exhaust performance are best when the equivalence ratio is around 1. The same applies to the air-fuel mixture during stratified combustion. If there is a large distribution or variation in the air-fuel mixture distribution, the combustion performance deteriorates.
On the other hand, in order to form a homogeneous stratified mixture having an equivalent ratio of about 1, the injected fuel needs to be mixed after a sufficient time. When attempting to ignite the mixing process of the injected fuel, it will ignite a heterogeneous air-fuel mixture depending on the characteristics of the fuel injection valve, which may lead to performance degradation such as fuel consumption and exhaust emissions. It is done.
したがって、良好な成層燃焼を行おうとした場合、均質な混合気を形成することが望ましく、この場合混合気塊の大きさを変化させることが最良となるが、混合気塊の大きさはキャビティを経由して混合気形成が行われる場合、キャビティ径に依存する。そのため、上記特許文献1に示されたような1つのキャビティ径で成層混合気を形成する場合を考えると、横軸の当量比を負荷と考えてよいこととなる。つまり、ある決まったキャビティ径では、最適な燃焼性能すなわち最良の燃費が得られる機関負荷がある一定の領域に限定される。すなわち、図2に示すように、キャビティ径ごとに最適な機関負荷領域が異なる。
Therefore, when trying to achieve good stratified combustion, it is desirable to form a homogeneous mixture, and in this case it is best to change the size of the mixture, but the size of the mixture will When the air-fuel mixture is formed via, it depends on the cavity diameter. Therefore, considering the case where the stratified mixture is formed with one cavity diameter as shown in
キャビティおよびその上空に均質な混合気が形成されるとすると、キャビティ径とボア径の比率(キャビティ径/ボア径)と、最良の燃費が得られる機関負荷とは図3に示すような関係となり、成層燃焼性能を向上するために、均質な混合気分布を形成した場合、1つのキャビティ径では幅広い負荷範囲の燃焼性能を向上するのが難しい。
そこで、上記のように構成した本発明によれば、燃料噴射量が少ない低負荷時に、内側キャビティを経由して小さい混合気塊を形成する場合には、混合気が2次元的に1つの旋回方向に向けて旋回するため混合気が不必要に拡散することがないので、コンパクトな混合気分布を形成することができる。
Assuming that a homogeneous air-fuel mixture is formed in the cavity and above, the ratio between the cavity diameter and the bore diameter (cavity diameter / bore diameter) and the engine load at which the best fuel efficiency can be obtained are as shown in FIG. In order to improve the stratified combustion performance, when a homogeneous mixture distribution is formed, it is difficult to improve the combustion performance over a wide load range with one cavity diameter.
Therefore, according to the present invention configured as described above, when a small air-fuel mixture is formed via the inner cavity at a low load with a small fuel injection amount, the air-fuel mixture is swirled one-dimensionally in two dimensions. Since the air-fuel mixture is swung in the direction, the air-fuel mixture does not diffuse unnecessarily, so a compact air-fuel mixture distribution can be formed.
一方、外側キャビティに燃料を噴射し混合気形成を行う場合には、混合気がキャビティ全周に向けて広がるため、等方的な混合気分布が形成しやすくなる。
つまり、低負荷時には、コンパクトな混合気分布を形成でき、高負荷時には、比較的均質な混合気を形成しやすくなり、負荷の変化に対する燃焼の悪化を確実に防ぐことができる。
On the other hand, when fuel mixture is injected into the outer cavity to form an air-fuel mixture, the air-fuel mixture spreads toward the entire circumference of the cavity, so that an isotropic air-fuel mixture distribution is easily formed.
That is, when the load is low, a compact air-fuel mixture distribution can be formed, and when the load is high, it becomes easy to form a relatively homogeneous air-fuel mixture, and combustion deterioration due to load changes can be reliably prevented.
図4は、本発明にかかる筒内直接噴射式内燃機関の燃焼室構造を示す。
シリンダヘッド2と、シリンダブロック3と、ピストン4とによって燃焼室1が形成され、吸気弁7を介して吸気ポート5と、排気弁8を介して排気ポート6とそれぞれ連通している。吸気弁7と排気弁8は、それぞれ吸気弁用カム9と、排気弁用カム10とによって開閉駆動される。燃焼室1の上面(シリンダヘッド)の略中央付近に燃料噴射弁11と点火プラグ12が近接して配置され、スパークギャップ12aが燃焼室1中央に向けて設置され、コントロールユニット13からの信号に基づいて、燃料噴射および点火が行われる。
FIG. 4 shows a combustion chamber structure of a direct injection type internal combustion engine according to the present invention.
ピストン4の冠面には外側キャビティ41と、該外側キャビティ41に内包された位置にもう1つの内側キャビティ42からなる二重キャビティが形成されている。
なお、図4では、燃料噴射弁11と点火プラグ12が、機関の前後方向(吸気側と排気側が並ぶ方向と直交する方向)に併設されたものを図示してある。ただし、本発明は、燃料噴射弁11と点火プラグ12が燃焼室1上部に設けられたものであればよく、その他の配置(例えば吸気側と排気側が並ぶ方向に併設)でも同様の効果を有する。
An
In FIG. 4, the
燃料噴射弁11、点火プラグ12はシリンダ中心軸に対してやや角度を持って取り付けられている(これは、吸気弁7および排気弁8の径を小さくすることなく、燃焼室1上部に両者を取り付けるための一手段であり、限定されるものではない。)
燃料噴霧はシリンダ中心軸と概ね平行に噴射される。つまり、燃料噴射弁軸に対しては傾いた方向に噴射される。
The
The fuel spray is injected substantially parallel to the cylinder central axis. That is, the fuel is injected in a direction inclined with respect to the fuel injection valve shaft.
ここで、外側キャビティ41は、燃料噴霧中心軸に対して軸対象に設置される。
図5に本発明にかかるピストン形状を示す。
外側キャビティ41は、燃料噴霧中心軸に対して軸対象に設置される。
内側キャビティ42は、シリンダヘッド2方向からの上面開口形状が長方形をなすように設定されており、前記燃料噴霧が内側キャビティ42の、燃料噴射弁−点火プラグ並び方向の燃料噴射弁側底面に偏って衝突するように設けられている。
Here, the
FIG. 5 shows the piston shape according to the present invention.
The
The
ここで、運転条件毎の燃料噴射方法の概略を述べる。
機関負荷が所定の負荷よりも低い場合、1回のみの噴射を行い、負荷の上昇とともに燃料噴射開始時期を進角させる。その際、燃料噴霧は内側キャビティ42に受け止められるように燃料噴射時期が設定される。機関負荷の増大とともに噴射期間が伸びることで、燃料噴霧が内側キャビティ42で受け止められないような噴射期間となる前に、2回の分割噴射を開始する。
Here, an outline of the fuel injection method for each operating condition will be described.
When the engine load is lower than the predetermined load, injection is performed only once, and the fuel injection start timing is advanced as the load increases. At that time, the fuel injection timing is set so that the fuel spray is received by the
2回の分割噴射を行う場合、2回目の燃料噴射量は1回のみ噴射の場合に対して、燃料噴射開始時期を遅角するとともに、燃料噴射量を減じることで、1回のみ燃料噴射する場合と分割噴射する場合の2回目噴射の噴射終了時期は概ね同じ時期となるように設定する。
分割噴射時は機関負荷の増大に対する燃料噴射量の増加は、1回目の噴射量を増やすことによって対応し、その際、燃料噴射開始時期を進角し、燃料噴射終了時期は概ね同じとする。
When performing split injection twice, the fuel injection amount for the second injection is retarded as compared to the case of only one injection, and the fuel is injected only once by reducing the fuel injection amount. The injection end timing of the second injection in the case of split injection is set so as to be substantially the same timing.
At the time of split injection, the increase in the fuel injection amount corresponding to the increase in engine load is dealt with by increasing the first injection amount. At that time, the fuel injection start timing is advanced, and the fuel injection end timing is substantially the same.
図6に、成層低負荷運転条件における、1回のみ燃料噴射した場合の燃料挙動を示す。
燃料噴射時期は、内側キャビティ42に受け止められるよう設定され、燃料噴霧は内側キャビティ42底面に衝突する。その後噴霧は、噴霧の貫徹力によって内側キャビティ42底面に沿って進行し、燃焼室1上空へと向かう。このとき、噴霧の衝突する内側キャビティ42底面が点火プラグ12へと燃料が指向するよう形成されているため、ピストン4冠面上を燃料噴霧はピストン4に沿って、2次元的に流れるとともに、点火プラグ12方向へと進行し、その進行方向をピストン4によって上側へと変化させるとともに、燃焼室1上空をうずのように旋回しつつ、周囲の空気を巻き込みながら、点火プラグ12近傍の内側キャビティ42上空に成層混合気が生成される。1回のみの燃料噴射を内側キャビティ42に向けて行うことにより、形成される混合気塊は燃焼室1中央よりやや排気側の点火プラグ12近傍に比較的コンパクトに形成できる。
FIG. 6 shows the fuel behavior when the fuel is injected only once under the stratified low load operation condition.
The fuel injection timing is set so as to be received by the
ここで、内側キャビティ42の外周部の略上部に点火プラグ12のスパークギャップ部を配置することにより、燃料噴射量の少ない場合にも、混合気がスパークギャップ部付近に確実に輸送されるため、確実な着火が行える。
また、内側キャビティ42の開口形状を長方形状とすることで、燃料噴射弁11から点火プラグ12へと向かう方向以外の混合気の拡散が確実に抑制される。
Here, by arranging the spark gap portion of the
Moreover, by making the opening shape of the
また、燃料噴射弁11の噴射方向を、内側キャビティ42の中心から燃料噴射弁11側に偏って設定することによって、燃料の運動方向は燃料噴射弁11側の内側キャビティ42底面から点火プラグ12側の内側キャビティ42方向へと向かうことになるため、アイドリング等の極少噴射量の場合でも確実な可燃混合気の輸送がなされる。
また、内側キャビティ42の底面の深さが、燃料噴霧が衝突する側において、低く設定することにより、圧縮上死点付近での燃料噴射の場合でも、液膜がピストン4に付着することがない。
Further, by setting the injection direction of the
Further, by setting the depth of the bottom surface of the
一方、成層高負荷運転条件における噴霧挙動は、図7に示すようになる。
成層高負荷では、2回の噴射を行う。まず、圧縮行程の中期付近において、外側キャビティ41を指向して1回目の燃料噴射を行う。成層低負荷時の1回のみ噴射の場合と同様、噴霧は外側キャビティ41底面に衝突し、噴霧の貫徹力によって外側キャビティ41底面を経由して燃焼室1上空へ向かい、周辺空気を巻き込みつつ、均質混合気を形成する。ここで、1回目の燃料噴射により形成される混合気塊の大きさは外側キャビティ41の大きさに依存し、比較的大きな塊となり、かつ燃焼室1中央部分は希薄となる。
On the other hand, the spray behavior under the stratified high load operation condition is as shown in FIG.
At stratified high load, two injections are performed. First, near the middle of the compression stroke, the first fuel injection is performed toward the
1回目の燃料噴射後、圧縮行程の後半、上死点に近い時期に、2回目の燃料噴射を内側キャビティ42に向けて行う。つまり、2回目の燃料噴射時期は、1回目と同様な噴射角度であっても、噴射角度が筒内圧によって若干狭くなる傾向となり、内側キャビティ42に確実に受け止められるような燃料噴射時期に設定されている。成層低負荷時の1回のみ噴射の場合と同様な混合気形成過程を経て、2回目の燃料噴射により小さな塊の均質混合気が形成され、1回目の燃料噴射によって形成された略ドーナツ状に近い混合気塊と2回目の燃料噴射によって形成されたコンパクトな混合気塊によって点火プラグ12近傍に混合気が輸送され、確実な着火がなされる。また、均質な混合気塊によって排気、燃費性能を損なうことなく成層燃焼を達成することができる。
After the first fuel injection, the second fuel injection is performed toward the
ここで、外側キャビティ41は燃料噴霧軸と同心となるよう設定することにより、ピストン4の上下動に対して、燃料噴霧とピストン4の相対角度が同様に設定され、燃料噴射時期が異なる場合、燃料噴射期間が長い場合でも、外側キャビティ41外への燃料のこぼれが少なくできるため、未燃HCの排出増大を抑制できる。また、外側キャビティ41に衝突した噴霧は概ね等方的に外側キャビティ41から巻き上がり、内側キャビティ42上空に均質な混合気分布を形成しやすい。
Here, by setting the
また、低負荷時は1回のみの燃料噴射を行うようにし、かつ、噴射した燃料が内側キャビティに入るように燃料噴射時期を設定するようにしたため、機関負荷が低く、総燃料噴射量が少ない場合においても必要以上に稀薄化されることなく、点火栓近傍に均質な混合気塊を形成可能となり、確実に着火可能な混合気が形成され、低負荷時の燃料不安定や排気性能悪化を防ぐことができる。 In addition, when the load is low, only one fuel injection is performed, and the fuel injection timing is set so that the injected fuel enters the inner cavity. Therefore, the engine load is low and the total fuel injection amount is small. In this case, a homogeneous air-fuel mixture can be formed in the vicinity of the spark plug without diluting more than necessary, and an air-fuel mixture that can be ignited reliably is formed, resulting in fuel instability and exhaust performance deterioration at low loads. Can be prevented.
一方、高負荷時には、1回のみの噴射では燃料噴射期間が伸びるため、噴射された燃料が内側キャビティのみならず、外側キャビティにはみ出して受け止められるようになる。微量の燃料のみが外側キャビティに向かうと、外側キャビティを経由して形成された混合気が着火不能な希薄な混合気を形成し、未燃HCとして排出される恐れがある。一方、内側キャビティを経由し、点火栓近傍に形成される混合気の濃度は一定量以上の燃料噴射量では過濃となる恐れがある。 On the other hand, when the load is high, the fuel injection period is extended by only one injection, so that the injected fuel protrudes not only to the inner cavity but also to the outer cavity. When only a small amount of fuel goes to the outer cavity, the air-fuel mixture formed via the outer cavity forms a lean air-fuel mixture that cannot be ignited and may be discharged as unburned HC. On the other hand, the concentration of the air-fuel mixture formed in the vicinity of the spark plug via the inner cavity may become excessive when the fuel injection amount is a certain amount or more.
そこで、高負荷時は、圧縮行程に2回の分割噴射を行うことで、分割された各噴射期間にそれぞれ外側キャビティ41と内側キャビティ42とに適量の燃料噴射を分配することができ、必要以上に稀薄化されたり過濃となったりすることなく良好な成層混合気を形成することができる。
特に、圧縮行程に分割して燃料を噴射する際に、1回目の燃料噴射は噴射した燃料が外側キャビティ41に入るように噴射時期を設定し、2回目の燃料噴射では燃料が内側キャビティ42に入るように噴射時期を設定するようにしたため、内側キャビティ42を経由した燃料は点火プラグ近傍に小さな混合気塊を形成し、確実な着火を可能にするとともに、外側キャビティ42に噴射され、外側キャビティ41を経由した燃料は比較的広い範囲に大きな混合気塊を形成する。1回目の燃料噴射を比較的早い噴射時期に設定することにより、混合気の均質化を図ることができる。
Therefore, when the load is high, by performing the split injection twice in the compression stroke, it is possible to distribute an appropriate amount of fuel injection to the
In particular, when fuel is injected in the compression stroke, the injection timing is set so that the injected fuel enters the
図8は、上記実施形態における内側キャビティ42での混合気運動方向の示す。内側キャビティ42内を、2つの小うずとなって対称的に旋回するパターンと、1つのうずとなって旋回するパターンとがある。
なお、図9に示すように、内側キャビティ42の上面開口形状は楕円状でもよい。この場合、点火プラグ12のスパークギャップが設けられている内側キャビティ42の一側での燃料の巻き上がりが、楕円状の内側キャビティ42によって集中しやすくなる。より詳細には、内側キャビティ42の開口形状を楕円にすることで、燃料噴射弁11−点火栓12の並び方向に直交する方向の混合気の運動を抑制しつつ、点火プラグ12下側の内側キャビティ42で混合気を集める作用が働き、点火プラグ12近傍により確実に濃い混合気を集めることができる。このため、アイドリング等の極小量噴射の場合でも混合気の拡散を防ぐことで確実な着火を行える。
FIG. 8 shows the direction of air-fuel mixture movement in the
In addition, as shown in FIG. 9, the upper surface opening shape of the
また、全負荷等の高出力運転時には、吸気行程中に燃料噴射を行い、十分な混合時間をとることで、筒内混合気分布を均質化する、いわゆる均質燃焼を行う。 Further, during high output operation such as full load, so-called homogeneous combustion is performed, in which fuel injection is performed during the intake stroke and sufficient mixture time is taken to homogenize the in-cylinder mixture distribution.
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
11 燃料噴射弁
12 点火プラグ
41 外側キャビティ
42 内側キャビティ
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