JP2005307776A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関において、簡単な構成で燃料と空気との混合を促進させることで良好な燃焼を可能とする。
【解決手段】燃焼室１５に連通する吸気ポート１６及び排気ポート１７を吸気弁１８及び排気弁１９により開閉自在とし、この吸気ポート１６を水平方向に傾斜させることで、空気を旋回流として燃焼室１５に導入可能とすると共に、燃料噴射弁２０から燃焼室１５における吸気弁１８の下方に向けて燃料を噴射可能とし、燃焼室１５の所定の位置に点火プラグを設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料を直接燃焼室に噴射する筒内噴射式の火花点火内燃機関に関するものである。

燃料を吸気ポートではなく、燃焼室に直接噴射する筒内噴射式内燃機関が従来から知られている。この筒内噴射式内燃機関では、吸気弁の開閉時に、空気が吸気ポートから燃焼室に吸入してピストンで圧縮され、この高圧空気に対して燃料噴射弁から燃料が直接噴射される。すると、燃焼室にて、高圧空気と霧状の燃料とが混合し、この混合気が点火プラグに導かれて着火して爆発し、排気弁の開閉時に、排気ガスが吸気ポートから排出される。

また、このような筒内噴射式内燃機関にて、吸気行程時に１回目の燃料噴射を行ってこの噴射燃料により燃焼室内全体に分散した混合気を形成し、圧縮行程時に２回目の燃料噴射を行ってこの噴射燃料により燃焼室内の限定された領域内に混合気を形成し、この限定された領域内の混合気を点火プラグにより着火させ、この着火混合気を火種として燃焼室全体に分散した混合気を燃焼するようにしたものがある。この場合、内燃機関の低負荷時に圧縮行程時に燃料を噴射して成層燃焼を行い、中・高負荷時に吸気行程及び圧縮行程時に燃料を分割して噴射して均質燃焼を行うようにしている。

なお、成層燃焼と均質燃焼とを切り換えるようにした内燃機関としては、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。この特許文献１に記載された筒内噴射式火花点火内燃機関は、吸気ポートに可動偏向手段として回動自在な弁体を設け、内燃機関の高負荷時に、弁体により吸気ポートの下壁側を閉鎖することで、吸気が吸気ポートの上壁側に沿って偏向することなく気筒内に供給され、高速の吸気により強いタンブル流を生成して良好な均質混合気を形成し、良好な均質燃焼を実現するものである。

特開２００３−１０６１５８号公報

上述した従来の内燃機関にあっては、内燃機関の高負荷時に吸気行程及び圧縮行程時に燃料を分割して噴射するが、この吸気行程で少量の燃料を噴射して自己着火しない範囲の均質な希薄混合気を形成しておき、圧縮行程で多量の燃料を噴射して点火することで燃焼させるようにしている。ところが、吸気行程では、燃焼室に噴射された燃料により希薄混合気を形成するものの、広い燃焼室に少量の燃料を噴射するためにミキシングが不十分となり、混合気が不均質になりやすく、良好な均質燃焼を実現することができない。

また、特許文献１に記載された筒内噴射式火花点火内燃機関は、吸気ポートに弁体を回動自在に設け、負荷に応じてこの弁体を回動操作することで、燃焼室に高速の吸気を供給して強いタンブル流を生成し、良好な均質燃焼を実現することができる。しかし、狭い吸気ポートに弁体を装着し、且つ、この弁体を高精度に回動制御する必要があり、吸気ポートの構造が複雑になると共に弁体の制御が面倒なものとなり、装置の高コスト化を招いてしまう。

本発明は、このような問題を解決するためのものであって、簡単な構成で燃料と空気との混合を促進させることで良好な燃焼を可能とした内燃機関を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の内燃機関は、燃焼室と、該燃焼室に連通する吸気ポート及び排気ポートと、該吸気ポートに流入する空気を旋回流として前記燃焼室に導入するスワール生成手段と、前記吸気ポート及び前記排気ポートをそれぞれ開閉可能な吸気弁及び排気弁と、前記燃焼室における前記吸気弁の下方に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃焼室に設けられた点火プラグとを具えたことを特徴とするものである。

また、本発明の内燃機関では、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の噴霧幅は、前記吸気弁の下方位置にて該吸気弁の直径より小さく設定されたことを特徴としている。

本発明の内燃機関では、前記点火プラグは、前記燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の外側に設けられたことを特徴としている。

本発明の内燃機関では、前記燃料噴射弁は、内燃機関の運転状態に応じて吸気行程及び圧縮行程で燃料を噴射可能であり、該吸気行程での燃料噴射量は混合気が異常着火しない量に設定されたことを特徴としている。

本発明の内燃機関によれば、スワール生成手段により吸気ポートに流入する空気を旋回流として燃焼室に導入可能とすると共に、燃料噴射弁が燃焼室における吸気弁の下方に向けて燃料を噴射可能としたので、吸気弁の下方に向けて噴射された燃料噴霧は、吸気ポートから導入されたスワールと衝突することで混合が促進され、燃料の微粒化及び気化を促進して良好な燃焼状態を得ることができると共に、構造の簡素化を図ることができる。

以下に、本発明にかかる内燃機関の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例に係る内燃機関としての筒内噴射式火花点火エンジンにおける燃焼室の水平断面図、図２は、本実施例の筒内噴射式火花点火エンジンにおける燃焼室の縦断面図、図３は、本実施例の筒内噴射式火花点火エンジンの燃料噴射時期を表すタイムチャートである。

本実施例において、図１及び図２に示すように、内燃機関としてのエンジンは、筒内噴射式の火花点火エンジンである。このエンジンにて、シリンダブロック１１上にシリンダヘッド１２が締結されており、このシリンダブロック１１に形成された複数のシリンダボア１３にピストン１４がそれぞれ上下移動自在に嵌合している。そして、シリンダブロック１１の下部に図示しないクランクシャフトが回転自在に支持されており、ピストン１４はコネクティングロッドを介してこのクランクシャフトにそれぞれ連結されている。

燃焼室１５は、シリンダブロック１１とシリンダヘッド１２とピストン１４により構成されており、燃焼室１５の上部（シリンダヘッド１３の下面）は中央部が高くなるように傾斜したペントルーフ形状をなしている。そして、この燃焼室１５の上部、つまり、シリンダヘッド１２の下面にそれぞれ２つの吸気ポート１６及び排気ポート１７が対向して形成されており、この吸気ポート１６及び排気ポート１７に対して吸気弁１８及び排気弁１９の下端部がそれぞれ位置している。従って、この吸気弁１８及び排気弁１９が所定のタイミングで上下移動することで、吸気ポート１６及び排気ポート１７を開閉し、吸気ポート１６と燃焼室１５、燃焼室１５と排気ポート１７とをそれぞれ連通することができる。なお、図示しないが、吸気ポート１６にはインテークマニホールドを介して吸気管が連結される一方、排気ポート１７にはエギゾーストマニホールドを介して排気管が連結されている。

また、この各吸気ポート１６は、流入する空気を旋回流として燃焼室１５に導入可能とするように、その向きが規定されている。即ち、吸気ポート１６は燃焼室１５の中心に対して水平方向に所定角度傾斜して形成されており、燃焼室１５内に上面視で反時計周り方向のスワールＳを生成することができる。この場合、吸気ポート１６の形状によりスワール生成手段が構成されている。

燃焼室１５の側部、つまり、吸気ポート１６側のシリンダヘッド１２の下面には、この燃焼室１５に直接燃料を噴射する燃料噴射弁２０が装着されている。この燃料噴射弁２０は、２つの吸気ポート１６の間で、上下方向に所定角度傾斜すると共に、水平方向に所定角度傾斜した状態で設けられており、この燃料噴射弁２０は、燃焼室１５における一方の吸気弁１７の下方に向けて燃料を噴射することができる。この場合、燃料噴射弁２０は円錐形状に拡散する霧状の燃料を噴射可能であるが、吸気弁１７の下方、具体的には、燃料噴霧Ｆの中心線と吸気弁１７の中心線とが交差する位置を通る燃料噴霧Ｆの直径（噴霧幅）ｄが、この吸気弁１７の直径Ｄ（または、吸気ポート１６の連通径）よりも小さく設定されている。なお、この燃料噴射弁２０には、図示しないデリバリパイプを介して燃料噴射ポンプ及び燃料タンクが連結されている。

また、燃焼室１５の上部における一方の吸気ポート１６と排気ポート１７との間には、点火プラグ２１が装着されている。この点火プラグ２１は、吸気ポート１６に対して、燃料噴射弁２０と対向して配置されるが、燃料噴射弁２０からの燃料噴霧が着火部（電極部）へ直接付着しないように、燃料噴霧Ｆの領域よりも上方に位置している。

そして、電子制御ユニットは、燃料噴射弁２０の燃料噴射タイミングや点火プラグ２１の点火時期などを制御可能となっており、検出した吸入空気量、スロットル開度（またはアクセル開度）、エンジン回転数などのエンジン運転状態に基づいて燃料噴射量、噴射時期（開弁時間）、点火時期などを決定している。本実施例のエンジンは、燃焼室１５に直接燃料を噴射する筒内噴射式エンジンであるため、エンジン回転数とスロットル開度とに基づいて燃料噴射モードを決定している。即ち、エンジンの中・低負荷領域では、主に圧縮行程時に燃料を噴射してリーンな空燃比で成層燃焼を行い、エンジンの高負荷領域では、主に吸気行程時及び圧縮行程時に燃料を分割して噴射して均質燃焼を行う切換制御を実施可能としている。

ここで、本実施例の筒内噴射式火花点火エンジンの作動について説明する。

まず、エンジンの中・低負荷領域での運転状態にて、吸気バルブ１８が駆動して吸気ポート１６が所定時間開放されると、空気が吸気ポート１６を通して燃焼室１５に吸入される。そして、ピストン１４の上昇時にこの燃焼室１５内の空気が圧縮され、この圧縮行程時に高圧空気に対して燃料噴射弁２０から燃料が噴射される。すると、高圧空気と所定量の燃料噴霧が良好に混合し、着火性の良好な可燃混合気が点火プラグ２０の近傍だけに形成される。そして、点火プラグ２１の火花によりこの可燃混合気に着火されると、燃焼室１５内全体としてリーンな混合気が燃焼して成層燃焼を実現することができる。その後、排気バルブ１９が駆動して排気ポート１７が所定時間開放されると、適正に燃焼された排ガスが燃焼室１５から排気ポート１７を通して排気通路に排出される。

一方、エンジンの高負荷領域での運転状態では、図３に詳細示すように、吸気バルブ１８が駆動して吸気ポート１６が所定時間開放されると、空気が吸気ポート１６を通して燃焼室１５に吸入される。また、この吸気行程時に燃料噴射弁２０から少量の燃料が噴射される。すると、所定角度傾斜した吸気ポート１６を通って燃焼室１５に導入された空気は、燃焼室１５の内周面に沿って旋回するスワールＳとなり、このスワールＳに対して、燃料噴射弁２０から吸気弁１８の下方に向けて噴射された燃料噴霧Ｆが衝突する。そのため、燃焼室１５内で空気と燃料との混合が促進され、この燃料の微粒化及び気化を促進されることとなる。

そして、ピストンの上昇時にこの空気と燃料との混合気が圧縮されることで、燃焼室１５内に均質な混合気が形成されて均質燃焼を実現することができる。続いて、この圧縮行程時に均質混合気に対して燃料噴射弁２０から多量の燃料が噴射されることで、着火性の良好な可燃混合気が点火プラグ２０の近傍に形成される。ここで、点火プラグ２１の連続した点火動作によりこの可燃混合気に着火されると、この着火混合気を火種として燃焼室１５内全体に分散した均質混合気が良好に燃焼することとなる。その後、排気バルブ１９が駆動して排気ポート１７が所定時間開放されると、適正に燃焼された排ガスが燃焼室１５から排気ポート１７を通して排気通路に排出される。

なお、高負荷領域の運転状態にて、吸気行程時の燃料噴射時期は、ピストンのＢＤＣ手前で行い、圧縮行程時の燃料噴射時期は、ピストンのＴＤＣの手前、つまり、圧縮行程の後期に行うことが望ましい。そして、圧縮行程での燃料噴射開始の所定時間前から点火が開始され、所定の点火期間にわたって連続点火が実行される。また、吸気行程時での燃料噴射量は、圧縮行程時に混合気が異常着火しない量に設定されており、具体的には、所定の燃料噴射量を吸気行程と圧縮行程で、８対１または９対１程度の割合で分割することが望ましい。

このように本実施例の内燃機関にあっては、燃焼室１５に連通する吸気ポート１６及び排気ポート１７を吸気弁１８及び排気弁１９により開閉自在とし、この吸気ポート１６を水平方向に傾斜させることで、空気を旋回流として燃焼室１５に導入可能とすると共に、燃料噴射弁２０から燃焼室１５における吸気弁１８の下方に向けて燃料を噴射可能とし、燃焼室１５の所定の位置に点火プラグを設けている。

従って、吸気ポート１６を通して燃焼室１５に吸入された空気は、燃焼室１５の内周面に沿って旋回するスワールＳとなり、燃料噴射弁２０から吸気弁１８の下方に向けて噴射された燃料噴霧ＦはこのスワールＳと衝突することとなる。そのため、燃焼室１５内で空気と燃料との混合が促進され、この燃料の微粒化及び気化が促進されることとなり、良好な燃焼状態を得ることができる。

また、燃料噴射弁２０から燃焼室１５に噴射される燃料噴霧Ｆの幅ｄが、吸気弁１８の下方位置にてこの吸気弁の直径Ｄより小さくなるように設定されている。従って、燃料噴射弁２０から吸気弁１８の下方に噴射された燃料噴霧Ｆは、この吸気弁１８の開放時に吸気ポート１６から燃焼室１５内に吸入される空気により効率よく流動されて混合することとなる。そのため、燃料の壁面付着を防止して燃焼室１５における混合気の均一性を確保することができる。

更に、点火プラグ２１が燃料噴射弁２０から噴射される燃料噴霧Ｆの領域の外側に設けられ手いる。従って、点火プラグ２１の着火部に直接燃料が付着することはなく、カーボンデポジットの付着を防止し、微粒化された燃料噴霧の混合気に対して確実に着火することができる。

そして、本実施例では、燃料噴射弁２０は、エンジンの運転状態に応じて吸気行程及び圧縮行程で燃料を噴射可能であり、吸気行程での燃料噴射量は混合気が異常着火しない量、つまり、圧縮行程での噴射量に対して吸気行程での噴射量を少量に設定している。従って、吸気行程で噴射された燃料が空気と良好に混合して圧縮されるとき、この混合気が異常着火することなく均質な混合気を形成することができる。

なお、上述した各実施例では、スワール生成手段を吸気ポート１６の傾斜形状により構成したが、この方法に限定されるものではなく、吸気ポートにスワールコントロール弁を設けたり、吸気ポートとは別にスワールポートを設けたりしても良い。

また、燃料噴射弁２０から噴射される燃料噴霧の形状は円錐形状に限らず、燃料噴射弁２０の噴射口を横スリットや縦スリットとして横噴霧形状や縦噴射形状としたり、中空のラッパ形状としてもよい。更に、点火プラグ２１の装着位置を吸気ポート１６に対して燃料噴射弁２０と対向する位置で燃料噴霧Ｆの領域の上方としたが、燃料噴霧Ｆの領域の側方や下方であってもよく、また、燃料噴射弁２０の近傍であっても良い。

以上のように、本発明にかかる内燃機関は、吸気弁の下方に向けて噴射した燃料噴霧をスワールと衝突させることで混合促進を図るものであり、筒内噴射式の内燃機関であればいずれの種類の内燃機関にも有用である。

本発明の実施例に係る内燃機関としての筒内噴射式火花点火エンジンにおける燃焼室の水平断面図である。 本実施例の筒内噴射式火花点火エンジンにおける燃焼室の縦断面図である。 本実施例の筒内噴射式火花点火エンジンの燃料噴射時期を表すタイムチャートである。

符号の説明

１５ 燃焼室
１６ 吸気ポート
１７ 排気ポート
１８ 吸気バルブ
１９ 排気バルブ
２０ 燃料噴射弁
２１ 点火プラグ
Ｆ 燃料噴霧
Ｓ スワール

Claims (4)

1. 燃焼室と、該燃焼室に連通する吸気ポート及び排気ポートと、該吸気ポートに流入する空気を旋回流として前記燃焼室に導入するスワール生成手段と、前記吸気ポート及び前記排気ポートをそれぞれ開閉可能な吸気弁及び排気弁と、前記燃焼室における前記吸気弁の下方に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃焼室に設けられた点火プラグとを具えたことを特徴とする内燃機関。
2. 請求項１記載の内燃機関において、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の噴霧幅は、前記吸気弁の下方位置にて該吸気弁の直径より小さく設定されたことを特徴とする内燃機関。
3. 請求項１記載の内燃機関において、前記点火プラグは、前記燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の外側に設けられたことを特徴とする内燃機関。
4. 請求項１記載の内燃機関において、前記燃料噴射弁は、内燃機関の運転状態に応じて吸気行程及び圧縮行程で燃料を噴射可能であり、該吸気行程での燃料噴射量は混合気が異常着火しない量に設定されたことを特徴とする内燃機関。

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