JP2005256630A - 火花点火式直噴エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 混合気の均質性が向上され、優れた特性の均一燃焼を行うことができる火花点火式直噴エンジンを提供すること。
【解決手段】 本発明の火花点火式直噴エンジンは、燃焼室１０と、点火プラグ３２と、吸気弁２０と、吸気弁と対向する排気弁２２と、吸気弁に隣接したインジェクタ３６と、燃料噴射制御手段とを備え、インジェクタが複数の噴口を備え、噴口の少なくとも１つは、その軸心が排気弁に指向するように配置され、噴口の少なくとも１つは、その軸心がピストンの冠面に指向するように配置され、燃料噴射制御手段が、高負荷または高回転領域では吸気行程と圧縮行程とに分けてインジェクタから燃料を噴射させる分割噴射制御を行い、圧縮行程の噴射は圧縮行程中期以降に少なくとも２回に分けて行われる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、火花点火式直噴エンジンに関し、特に、複数の噴口を有するインジェクタを備えた火花点火式直噴エンジンに関する。

燃料を燃焼室内に直接噴射するインジェクタを備えた火花点火式直噴エンジンが知られている。この種のエンジンでは、圧縮行程に燃料噴射を行って点火プラグ近傍に混合気を偏在させて成層燃焼を行い、燃費を向上させることができるように構成されている。本発明はこのような技術に基づいて、開発されたものである。

上述したような直噴エンジンでは、全負荷時等の所定の条件下では、吸気行程に燃料噴射を行い混合気を筒内で均一に分布させて燃焼させる均一燃焼を行なっている。しかしながら、直噴エンジンでは、点火プラグ近傍に混合気を偏在させて成層燃焼を行うのに適した構成とされているため、吸気行程における燃料噴射によって均一燃焼を行わせようとすると、混合気が気化不良または不均一となり必要なトルクが得られず、また、全負荷時には、スモーク、パーティキュレート、ＨＣが発生する等の問題が生ずることがあった。

本願発明の発明者等は、直噴エンジンにおいて、インジェクタ噴口の軸心（燃料噴射の中心軸線）の方向およびインジェクタからの噴射タイミング等を工夫することによって、噴射された燃料の気化／ミキシングが促進され、エンジン負荷が高い領域においても、燃焼室内における混合気の均質性を向上させることができることを見出した。

本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、混合気の均質性が向上され、優れた特性の均一燃焼を行うことができる火花点火式直噴エンジンを提供することを目的とする。

本発明によれば、シリンダとシリンダヘッドとピストンによって構成される燃焼室と、該燃焼室の上部中央に配置された点火プラグと、前記燃焼室の天井部に配置された吸気弁と、前記点火プラグを挟んで前記吸気弁と対向する位置に配置された排気弁と、該吸気弁に隣接して配置され前記燃焼室に燃料を噴射するインジェクタと、該インジェクタからの燃料噴射を制御する燃料噴射制御手段とを備えている火花点火式直噴エンジンであって、前記インジェクタが複数の噴口を備え、該噴口の少なくとも１つは、その軸心が、前記排気弁に指向するように配置され、前記噴口の少なくとも１つは、その軸心が、前記ピストンの冠面に指向するように配置され、前記燃料噴射制御手段が、高負荷または高回転領域では、吸気行程と圧縮行程とに分けて前記インジェクタから燃料を噴射させる分割噴射制御を行い、前記圧縮行程の噴射は、圧縮行程中期以降に少なくとも２回に分けて行われることを特徴とする火花点火式直噴エンジンが提供される。

このような構成によれば、高負荷または高回転領域では、吸気行程噴射で燃焼室上部に混合気を偏在させ、筒内圧が高くなり噴射された燃料の動きが抑制された状態で行われる圧縮行程中期以降の第１回目の噴射で排気側から点火プラグ回りの空間に混合気を偏在させ、ピストンが上死点に近づいて噴射燃料が押し上げられる状態で行われる圧縮行程中期以降での第２目の噴射で点火プラグ下方の空間に混合気を偏在させる。この結果、吸気行程の噴射と圧縮行程の２回の噴射とによって、燃焼室全体に混合気が均一に分散される。このため高負荷または高回転領域における混合気の均質性が向上され、スモーク、ＨＣが削減される。
さらに、筒内温度が上昇する圧縮行程に燃料噴射が行われるので、噴射された燃料の気化潜熱で筒内温度が下げられノッキングが抑制される。

本発明の他の好ましい態様によれば、前記燃料噴射制御手段は、吸気行程における噴射を吸気行程中期に実行させる。

本発明の他の好ましい態様によれば、前記燃料噴射制御手段は、前記吸気行程における噴射の燃料噴射量Ｑ１と、圧縮行程における第１回目の噴射の燃料噴射量Ｑ２と、圧縮行程における第２回目以降の噴射の燃料噴射量Ｑ３とが、Ｑ１＞Ｑ２≧Ｑ３の関係を満たすように、燃料噴射量を制御する。
このような構成によれば、スモーク、ＨＣの排出量を削減させつつ必要なトルクが確保される。

本発明の他の好ましい態様によれば、前記燃料噴射制御手段は、高負荷領域ではＱ２＞Ｑ３の関係を満たすように、それ以外の領域ではＱ２≧Ｑ３の関係を満たすように、燃料噴射量を制御する。

本発明の他の好ましい態様によれば、軸心が前記ピストンの冠面に指向するように配置された前記噴口が複数、設けられ、該複数の噴口の軸心が、シリンダの中間位置に位置するピストンの冠面に指向されている。

本発明の他の好ましい態様によれば、前記ピストンの冠面に凹部が形成され、前記複数の噴口の軸心が、前記凹部の開口縁に指向されている。
このような構成によれば、ピストン冠面の凹部の開口縁に燃料が噴射されるので、縁部に衝突した燃料が、効果的に拡散し、ミキシングが促進される。

本発明によれば、混合気の均質性が向上され、優れた特性の均一燃焼を行うことができる火花点火式直噴エンジンが提供される。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態の火花点火式直噴エンジンの構成について詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態の火花点火式直噴エンジン１の概略的な構成を示す図面であり、図２はエンジンの燃焼室付近を拡大した断面図である。
エンジン１は、直列に配置された４本の気筒２（図１では１本のみを示す）が形成されたシリンダブロック４と、このシリンダブロック４上に配置されたシリンダヘッド６とを備えている。気筒（シリンダ）２内には、ピストン８が上下方向に往復動可能に配置されている。

図３は、ピストン８の冠面を示す平面図であり、図４は図３のIV−IV線に沿った断面図である。図３及び図４に示されているように、ピストン８の冠面には、上方に向かって開口する凹状のキャビティ９が形成されている。キャビティ９は、図３に示されているように、長円形の開口部を上端に有する半ラグビーボール状の形状を有している。また、キャビティ９は、図４に示されているように、その開口縁９ａが円弧状の断面（アール形状）とされている。

ピストン８とシリンダヘッド６との間には燃焼室１０が形成されている。燃焼室１０は、図２に示すように、気筒２の天井部の略中央部からシリンダヘッド６の下端面付近まで延びる２つの傾斜面を備えたいわゆるペントルーフ型燃焼室とされている。
一方、シリンダブロック４内のピストン８の下方には、クランク軸１２が回転自在に支持されており、このクランク軸１２とピストン８とはコネクティングロッド１４を介して連結されている。

図１、図２に示されているように、シリンダヘッド６には、吸気ポート１６及び排気ポート１８が、それぞれ２つずつ（図１、図２では、いずれも一方のみを図示）、並列状態で形成されている。この２つの吸気ポート１６は、それぞれ、燃焼室の一方の傾斜面に開口され、各吸気ポート１６には、所定のタイミングで開閉作動される吸気弁２０が着座する。各吸気弁２０は、略円形を有し吸気ポート１６を開閉する弁傘部２０ａと、弁傘部２０ａの中心から延びる棒状のステム２０ｂとを備えた公知の形状である。また、２つの排気ポート１８には、燃焼室の他方の傾斜面に開口され、排気ポート１８に所定のタイミングで開閉作動される排気弁２２が着座する。

図１に示すように、エンジン１の一側面には、各気筒２の吸気ポート１６にそれぞれ連通する吸気通路２４が接続されている。この吸気通路２４は、エンジン１の燃焼室１０にエアクリーナ（不図示）で濾過された吸気を供給するためのものであり、その上流側から下流側に向かって順に、エンジン１に吸入される吸入空気量を検出するためのホットワイヤ式エアフローセンサ２６と、吸気通路２４を絞る電気式スロットル弁２８と、サージタンク３０とが配置されている。電気式スロットル弁２８は、アクセルペダル（不図示）に対し機械的に連結されておらず、図示しない電気式駆動モータにより駆動される。

また、吸気通路２４は、サージタンク３０よりも下流側が各気筒２に接続された独立通路に分岐され、その各独立通路の下流端部は、さらに２つに分岐して各気筒の２つの吸気ポート１６にそれぞれ接続されている。

また、燃焼室１０の上部中央には、４つの吸排気弁２０、２０、２２、２２の略中心に、点火プラグ３２が配置されている。この点火プラグ３２の先端の電極３２ａは、燃焼室１０の天井部から所定距離だけ突出した位置にあり、その点火プラグ３２の基端部には点火回路３４が接続されており、気筒２毎に所定のタイミングで点火プラグ３２に通電するように構成されている。

各燃焼室１０の周縁部の吸気弁２０間にはインジェクタ３６が取付けられている。インジェクタ３６は、先端部に複数の噴口が形成された所謂マルチホール型のインジェクタであり、点火プラグ３２の電極部３２ａを挟んで、排気弁２２と対向するように配置されている。
各インジェクタ３６は燃料分配管３８が接続されている。燃料分配管３８は、燃料供給系４０から供給される高圧の燃料を各インジェクタ３６に供給する。

エンジン１の他側面には、図１に示すように、燃焼室１０から排気ガスを排出する排気通路４２が接続されている。この排気通路４２の上流端は、分岐して各気筒２の排気ポート１８に接続される排気マニホールド４４とされている。排気マニホールド４４の集合部には排気中の酸素濃度を検出するリニアＯ２センサ４６が配置されている。リニアＯ２センサ４６は排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出する。

また、排気マニホールド４４の集合部には、排気管４８の上流端が接続されている。排気管４８には、上流側から下流側に向けて順に、三元触媒５０、ＮＯｘ吸収触媒５２が取付けられている。ＮＯｘ吸収触媒５２は、排気中の酸素濃度の高いときＮＯｘを吸着する一方、酸素濃度の低下に伴い吸着していたＮＯｘを放出し、放出したＮＯｘを排気中のＨＣ、ＣＯ等により還元するＮＯｘ吸着還元タイプの触媒である。

また、排気管４８には、排気ガスの一部を吸気系に還流させるＥＧＲ通路５４の上流端が接続されている。ＥＧＲ通路５４の下流端は、スロットル弁２８とサージタンク３０との間で吸気通路２４に接続されている。また、ＥＧＲ通路５４には、開度が電気的に調整可能であるＥＧＲ弁５６が設けられている。

図１に示されているように、エンジン１は、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）５８を備えている。ＥＣＵ５８には、クランク軸１２の回転角度（エンジン回転数）を検出するクランク角センサ６０、エアフローセンサ２６、リニアＯ２センサ４６、アクセル開度センサ６２等の種々のセンサからの出力信号が入力され、入力された出力信号に基づいて、点火回路３４、インジェクタ３６、電気式スロットル弁２８、ＥＧＲ弁５６等の作動が制御される。

図５（ａ）は、本実施形態のエンジン１において行われる燃料噴射制御で用いられる制御マップを示す。図５（ａ）に示されているように、本実施形態のエンジンではＥＣＵ５８の制御により、燃料を吸気行程と圧縮行程とに分けて噴射させる分割噴射制御と、燃料を吸気行程で１回噴射させる一括噴射制御が切り換えて行われる。
すなわち、本実施形態のエンジンでは、エンジン低回転領域では低負荷から、中回転領域では高負荷のときに、高回転領域では中負荷から分割噴射が行われ、他の領域では一括噴射とされている。これは一般的に直噴ガソリンエンジンでは中回転領域では混合気が均質化し易いので、本実施形態では、中回転領域では、高負荷領域だけで分割噴射としている。尚、中回転領域では高負荷領域でも分割噴射を行わない構成でもよい。

また、高回転域での均質化を狙ったエンジンでは、図５（ｂ）に示されているように、高回転域では一括噴射あるいは分割噴射を開始する負荷が高くなるような制御特性に設定してもよい。このようなエンジンの場合には、回転数が低くなるほど一括噴射では均質性が悪化するため、低回転になるほど分割噴射を開始する負荷を低く設定している。

さらに、低回転域での均質化を狙ったエンジンでは、図５（ｃ）に示されているように、全回転域において、高負荷側で分割噴射を行う制御特性に設定してもよい。

本実施形態の分割噴射では、図６のタイムチャートに示されているように、吸気行程で１回、圧縮行程で２回の合計３回の燃料噴射が行われる。吸気行程での噴射は、吸気流の流速が高くなる吸気行程中期に行われるのが好ましい。具体的には、吸気行程における噴射時期は、上死点後（ＡＴＤＣ）０°〜１００°に噴射を開始し、上死点後（ＡＴＤＣ）１００°〜２００°に噴射が完了するように吸気行程における噴射時期を設定するのが好ましく、上死点後（ＡＴＤＣ）６０°〜１２０°の範囲に噴射時期が存在するように設定するのがより好ましい。

また、圧縮行程での第１の噴射は、筒内圧が高くなり噴射された燃料の動きが抑制される時期である圧縮行程中期以降の、例えば、圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）３０°〜１４０°の時期に行われるのが好ましい。

さらに、圧縮行程での第２の噴射は、ピストンが上死点に近づいて噴射燃料が押し上げられる時期である圧縮行程中期以降の、例えば、圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）０°〜９０°の時期に行われるのが好ましい。

吸気行程での燃料噴射の噴射量Ｑ１と、圧縮行程での第１回目の燃料噴射の噴射量Ｑ２と、圧縮行程での第２回目の燃料噴射の噴射量Ｑ３とは、Ｑ１＞Ｑ２≧Ｑ３の関係を満たすように設定されている。
さら、高負荷領域では、Ｑ２＞Ｑ３の関係が満たされるように、それ以外の領域ではＱ２≧Ｑ３の関係が満たされるように、燃料噴射量が設定されている。

また、分割噴射が行われない領域では、吸気行程で燃料が一括して噴射される均一燃料が実行される。

次に、インジェクタ３６に形成されている複数の噴口の配置について説明する。図７はインジェクタ３６の先端における複数の噴口の配置もしくは噴射が狙う位置を示す図面である。図７に示されているように、本実施形態のインジェクタ３６の噴口６４は、上方に配置された２つの噴口（上方噴口）６４ａ、６４ｂと、下方に配置された４つの噴口（下方噴口）６４ｃ、６４ｄ、６４ｅ、６４ｆからなる。本実施形態では、各噴口は同一直径（約０．１５ｍｍ）であり、更に、各噴口から噴射される燃料の拡がり（噴射角）も同一である。

上方噴口６４ａ、６４ｂの軸心６６ａ、６６ｂ、即ち、燃料噴射方向（噴射される燃料の中心軸）は、それぞれ、点火プラグ３２の電極部３２ａの左右の領域を通って、排気弁２２に指向するように配置されている。

下方噴口６４ｃ、６４ｄ、６４ｅ、６４ｆは、その軸心６６ｃ、６６ｄ、６６ｅ、６６ｆが、ピストン８が気筒２（シリンダ）の高さ方向の中間位置に位置しているとき、このピストンの冠面に指向するように配置されている。詳細には、下方噴口６４ｃ、６４ｄ、６４ｅ、６４ｆは、その軸心６６ｃ、６６ｄ、６６ｅ、６６ｆが、中間位置にあるピストン８冠面のキャビティ９の上端縁９ａ近傍領域（図３に点線で示す）に、それぞれ、指向するように配置されている。従って、ピストン８が中間位置にあるときに下方噴口６４ｃ、６４ｄ、６４ｅ、６４ｆから噴射された燃料は、図３に点線で示された領域に衝突する。

さらに、各噴口６４ａ、６４ｂ、６４ｃ、６４ｄ、６４ｅ、６４ｆは、図８に示されているように、隣接する２つ噴口６４ｘ、６４ｙの軸心６６ｘ、６６ｙとの開き角Θが、吸気行程におけるそれぞれの噴口からの噴射角α、βの１／２の角度の和より大きな角度となるように配置されている。このような配置によって、各噴口から噴射された燃料が、相互に接触することが防止されている。

このような構成を有する本実施形態のエンジンによれば、分割噴射が行われるときには、圧縮行程で噴射される燃料の量が、吸気行程で噴射される燃料の量に比べて少なく設定されているので、圧縮行程で噴射された燃料が気化されずに、スモーク等が発生することが抑制される。特に、スモークが発生しやすい高負荷時には、圧縮行程の２回目の噴射量を、１回目の噴射量に対して少なく設定しているので、スモークの発生が効果的に抑制される。

また、ピストン８の冠面に向けられた下方噴口の軸線が、円弧状（アール形状）とされたキャビティ９の開口縁９ａに指向されているので、ピストン８が中間位置にあるときに、下方噴口６４ｃ、６４ｄ、６４ｅ、６４ｆから噴射された燃料は、円弧状の縁部９ａに衝突して速やかに周囲に拡散する。このため混合気の均質性が向上する。

本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された技術事項の範囲内で種々の変更又は変形が可能である。
インジェクタの噴口の数、および、配置は上記実施形態のものに限定されない。また、上記実施形態では、高負荷または低回転または高回転領域では、圧縮行程に２回の燃料噴射を行う構成であったが、圧縮行程に３回以上の噴射を行う構成でも良い。

本発明の好ましい実施形態の火花点火式直噴エンジンの概略的な構成を示す図面である。 図１のエンジンの燃焼室付近を拡大した断面図である。 図１のエンジンのピストン冠面を示す平面図である。 図３のIV−IV線に沿った断面図である。 図１のエンジンにおいて行われる燃料噴射制御の制御マップである。 図１のエンジンにおける分割噴射時の燃料噴射のタイムチャートである。 図１のエンジンにおける噴口の配置を示す図面である。 隣接する噴口の軸心間の角度と、各噴口からの噴射角との関係を示す模式的な図面である。

符号の説明

１：エンジン
２：気筒
１０：燃焼室
２０：吸気弁
２２：排気弁
３２：点火プラグ
３６：インジェクタ
６４：噴口
６４ａ、６４ｂ：上方噴口
６４ｃ、６４ｄ、６４ｅ、６４ｆ：下方噴口
６６ａ、６６ｂ、６６ｃ、６６ｄ、６６ｅ、６６ｆ：（噴口の）軸心

Claims (6)

1. シリンダとシリンダヘッドとピストンによって構成される燃焼室と、該燃焼室の上部中央に配置された点火プラグと、前記燃焼室の天井部に配置された吸気弁と、前記点火プラグを挟んで前記吸気弁と対向する位置に配置された排気弁と、該吸気弁に隣接して配置され前記燃焼室に燃料を噴射するインジェクタと、該インジェクタからの燃料噴射を制御する燃料噴射制御手段とを備えている火花点火式直噴エンジンであって、
   前記インジェクタが複数の噴口を備え、
   該噴口の少なくとも１つは、その軸心が、前記排気弁に指向するように配置され、
   前記噴口の少なくとも１つは、その軸心が、前記ピストンの冠面に指向するように配置され、
   前記燃料噴射制御手段が、高負荷または高回転領域では、吸気行程と圧縮行程とに分けて前記インジェクタから燃料を噴射させる分割噴射制御を行い、前記圧縮行程の噴射は、圧縮行程中期以降に少なくとも２回に分けて行われる、
   ことを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
2. 前記燃料噴射制御手段は、吸気行程における噴射を吸気行程中期に実行させる、
   請求項１に記載の火花点火式直噴エンジン。
3. 前記燃料噴射制御手段は、前記吸気行程における噴射の燃料噴射量Ｑ１と、圧縮行程における第１回目の噴射の燃料噴射量Ｑ２と、圧縮行程における第２回目以降の噴射の燃料噴射量Ｑ３とが、Ｑ１＞Ｑ２≧Ｑ３の関係を満たすように、燃料噴射量を制御する、
   請求項１または２に記載の火花点火式直噴エンジン。
4. 前記燃料噴射制御手段は、高負荷領域ではＱ２＞Ｑ３の関係を満たすように、それ以外の領域ではＱ２≧Ｑ３の関係を満たすように、燃料噴射量を制御する、
   請求項３に記載の火花点火式直噴エンジン。
5. 軸心が前記ピストンの冠面に指向するように配置された前記噴口が複数、設けられ、該複数の噴口の軸心が、シリンダの中間位置に位置するピストンの冠面に指向されている、
   請求項１ないし４のいずれか１項に記載の火花点火式直噴エンジン。
6. 前記ピストンの冠面に凹部が形成され、
   前記複数の噴口の軸心が、前記凹部の開口縁に指向されている、
   請求項５に記載の火花点火式直噴エンジン。

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