JP2006258053A - 直接噴射式内燃機関およびその燃焼方法 - Google Patents

Abstract

【課題】直噴式内燃機関においてピストンキャビティにて反転してきた混合気塊が点火栓の放電電極部に集中してリッチ雰囲気下での着火燃焼がなされることによる点火栓の消耗およびスモーク発生を防止する。
【解決手段】燃料噴射弁８による燃料噴射時期を、点火時期よりも、キャビティ３１から反転してきた燃料噴霧が点火栓９近傍域に到達する時期のほうが遅くなるように設定し、または、前記点火栓による点火時期の付近にて、前記燃料噴射弁による燃料噴射を終了させる。キャビティにて反転してきた密度の高い混合気塊により放電電極部にてリッチ燃焼がなされるおそれがなく、点火栓の消耗やスモークの発生という問題を回避することができる。
【選択図】図２−２

Description

本発明は、火花点火方式の直接噴射式内燃機関またはその燃焼方法の改良に関する。

火花点火方式の直接噴射式内燃機関では、混合気形成ないしは燃焼性を良好にするために燃料噴射弁と点火栓を共に燃焼室中央付近の互いに近接した位置に設けたレイアウトをとるものが多い。このようなレイアウトでは、点火栓の放電電極部での燃料噴霧の密度が高いことから、点火栓電極部にくすぶりを起こしその寿命が損なわれたり、着火不良によりスモークが発生したりする問題が生じる。

この対策として、噴射弁ノズルに切欠部を設けて燃料噴霧の密度が粗い領域と密な領域とが生じるように図り、点火栓の放電電極部に燃料密度の粗い領域が向くように噴射弁を位置させることにより前記問題を回避するようにした技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開2003-120299号公報

本出願人の知見によれば、ピストン冠面に設けたキャビティに向けて噴射した燃料により成層混合気を形成するようにした直噴式機関では、キャビティにて反転してきた燃料噴霧ないしは混合気塊が点火栓の放電電極部に集中してリッチ雰囲気下での着火燃焼がなされることがある。この場合はキャビティにより燃料噴霧の方向が変えられるので、前記従来技術のように燃料噴霧の密度を制御したとしても放電電極部近傍への濃混合気の集中を防ぐことはできず、リッチ燃焼による点火栓の消耗およびスモーク発生という問題が生じる。

本発明は、ピストン冠面に設けたキャビティに向けて燃料を噴射する燃料噴射弁を備えると共に、点火栓をその放電電極部が前記燃料噴射弁からの燃料噴霧に近接して位置するように設けた直接噴射式内燃機関における、キャビティを経由して点火栓方向に反転してくる燃料噴霧の挙動に着目してなされたもので、次のような内燃機関の構成ないしはその燃焼方法を要旨とするものである。
・前記燃料噴射弁による燃料噴射時期を、前記点火栓による点火時期よりも、キャビティから反転してきた燃料噴霧が点火栓の放電電極部近傍域に到達する時期のほうが遅くなるように設定し、または、前記点火栓による点火時期の付近にて、前記燃料噴射弁による燃料噴射を終了させる。
・前記燃料噴射弁から前記キャビティに向けて燃料を噴射供給し、次いで前記キャビティへの燃料噴霧を該キャビティ側壁に沿って燃焼室へと上昇させ、該上昇した燃料噴霧が前記点火栓の放電電極近傍に到達する以前の時期に点火を行い、または、前記燃料噴射弁から前記キャビティに向けて燃料を噴射供給し、前記燃料噴射を、その終了時期が前記点火栓による点火時期付近となるようにする。

前記本発明による直接噴射式内燃機関または燃焼方法によれば、燃料噴射弁からの燃料噴射後に、その燃料噴霧がピストンのキャビティにて反転して点火栓の放電電極部付近に到達する以前に点火を完了できることから、前記のキャビティにて反転してきた密度の高い混合気塊により放電電極部にてリッチ燃焼がなされるおそれがなく、点火栓の消耗やスモークの発生という問題を確実に回避することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお各図において共通する部分には互いに同一の符号を付して示すこととする。図１は本発明が適用可能な内燃機関の概略構成を示している。図中の１は内燃機関本体、２は吸気通路、３はスロットル弁、４は排気通路、５は触媒コンバータ、６は吸気弁、７は排気弁、８は燃料噴射弁、９は点火栓である。１０はコントロールユニット、１１はエアフローセンサ、１２はアクセル開度センサ、１３はクランク角センサ、１４は冷却水温センサ、１５は排気酸素センサである。１７はカム駆動により燃料を燃料噴射弁８に圧送する燃料ポンプであり、１６はその燃料圧力を検出する圧力センサである。

コントロールユニット１０は、本発明における制御装置に相当するもので、ＣＰＵおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータにより構成されており、前記運転状態検出装置としての各種センサ１１〜１６からの入力に基づいて内燃機関の運転状態を判断し、燃料の噴射時期、噴射量、点火時期がそれぞれ所定の目標値に一致するように燃料ポンプ１５、燃料噴射ノズル１８および点火栓１９の作動を制御する。

図２−１、２−２は前記内燃機関の燃焼室周辺の詳細構造を示している。図２−１は正面断面図、図２−２はピストン冠面をシリンダ軸線方向から観察した上面図である。各図において、２１は燃焼室、２２はシリンダヘッド、２３はシリンダブロック、２４はピストンを表している。

この内燃機関は吸気弁６と排気弁７をそれぞれ２個ずつ備えた４弁形式であり、燃料噴射弁８と点火栓９はそれぞれ前記４弁に包囲された燃焼室中央付近に配設してある。燃料噴射弁８は、その燃料噴霧の中心がシリンダ軸線に対して略平行となるように取り付けてある。この燃料噴射弁８と対向するように、ピストン２４の冠面には円形凹形状のキャビティ３１を形成してある。また、この場合キャビティ３１の周囲にも環状に第２のキャビティ３２を形成してある。この場合、各キャビティの側壁部３１ａ、３２ａはシリンダ軸線に平行な略直円筒状に形成してあるが、キャビティ底部側を基点としてシリンダ壁側に傾斜したテーパ状の側壁形状としてもよい。

図３に示したように、キャビティ３１、３２の中心Ｐａはシリンダ中心軸線Ｐｂに対してややオフセットした位置にあり、この位置設定により、燃焼室２１に設けた燃料噴射弁８からの燃料噴霧がほぼキャビティ３１の中心部に衝突するようにしている。一方、点火栓９については、その放電電極部９ａが、シリンダ軸方向から見て前記キャビティ側壁部３１ａによって画成されるキャビティ領域の内側、かつ燃料噴射弁８からの燃料噴霧に近接して位置するスプレーガイド配置としてある。

図４は、前記構成を有する直接噴射式内燃機関を層状燃焼運転させたときの燃料噴霧の状態を示しており、図の（ａ）は噴射前期、（ｂ）は噴射後期の状態である。燃料噴射は、層状燃焼を行わせる場合には圧縮行程後期のピストン上昇過程にて行う。このとき燃料噴射弁８からの燃料は、図（ａ）に示したように内側のキャビティ３１のほぼ中心部に向けて、その全量がキャビティ３１内に向かうように噴射される。この噴射燃料はその後キャビティ３１の底面に衝突し、外周方向に拡散したのち、キャビティ側壁部３１ａに衝突および案内されて、燃焼室上方へと向かう。この間に噴射燃料は周囲の空気と混合するので、前記上方へと向かう燃料噴霧はキャビティ３１の外径形状に沿った略環状の混合気塊Ｍを形成する（図の（ｂ）参照）。このとき、本実施形態では燃料噴霧中心がシリンダ軸線と平行となるように、かつ燃料噴霧中心とキャビティ３１の中心とが一致するように燃料噴射弁８を設けてあるので、キャビティ３１による前記環状混合気塊の形成を燃料噴射時期またはピストン位置に関わらず、むらなく安定して行わせることができ、未燃ＨＣやスモークの発生を回避するのに有効である。

前記環状の混合気塊はピストン２４が上昇するのにしたがって内外の半径方向へと拡散しつつ点火栓の放電電極部９ａへと到達する。本発明では、このようにして層状をなす燃料濃度の高い混合気塊が放電電極部９ａへと達する前に点火を行う。すなわち、点火時期を基準にするならば、燃料噴射後に形成される濃混合気塊が点火時期までに点火栓の放電電極部９ａに到達しないようなタイミングで燃料噴射を行う。これにより、点火栓の放電電極部９ａの近傍にてリッチ燃焼が行われるのを回避して、点火栓のくすぶりやスモークの発生を防止することができる。

この実施形態では、点火栓の放電電極部９ａをキャビティ３１の内側領域内でできるだけ燃料噴射弁８に接近させ、すなわち前記環状の混合気塊の中心付近に位置するようにしてあるので、それだけ混合気塊が内側に向かって拡散して放電電極部９ａに到達するまでの時間、または混合気塊と放電電極部９ａまでの距離を長くできる。これにより、点火時の放電電極部９ａ付近での混合気濃度を抑えることができ、または燃料噴射時期の自由度が高められる。

また、前記のように点火栓の放電電極部９ａをキャビティ内側領域に設けることにより混合気塊の半径をその分だけ小さくすることができ、これによりアイドルないし低負荷運転条件にてより燃費のよい成層燃焼を行わせることができる。ただし、小径の混合気塊を形成するためにキャビティ３１の径を小さくすると、燃料噴射量が多くなる中〜高負荷運転条件にて噴射燃料が周囲に溢れて混合気の成層化が損なわれるおそれを生じる。これに対してこの実施形態では、外側に第２のキャビティ３２を形成したことから、前記の第１のキャビティ３１から溢れた燃料を第２のキャビティ３２にて捕捉して混合気の拡散を抑えることができるので、より幅の広い運転域で成層燃焼を行わせることが可能になる。なお運転条件によっては内側キャビティ３１によって形成される混合気塊がリッチになりすぎてスモークや未燃ＨＣが発生するおそれを生じるが、これに対しては、キャビティ側壁部３１ａを前述したように燃焼室に向かって拡径したテーパ状に形成することにより、燃料が燃焼室中央部に集中しすぎる傾向を補償して適度な濃度の混合気塊が形成されるように調整することが可能である。このようなキャビティ外壁部の傾斜角度による混合気濃度の調整は、外側の第２のキャビティ３２についても有効であり、すなわち中〜高負荷運転時の成層混合気塊の大きさと濃度を当該傾斜角度によって加減することができる。

ところで、前述したような、キャビティ３１ないし３２によって形成される混合気塊が点火栓の放電電極部９ａに到達するまでの点火タイミングは、本出願人の実験によれば、燃料噴射の終了時期付近に設定できることを確認した。特に、噴射終了前であれば放電電極部９ａの近傍に燃料噴霧が存在していることから良好な着火および燃焼を期待することができる。

図５はこのようなタイミングで点火を行うのに適した燃料噴射弁８および点火栓位置の実施形態を示している。図（ａ）は燃料噴霧の斜視図、図（ｂ）はその点火栓放電電極部９ａ付近での軸方向視図である。この場合、図（ａ）に示したように燃料噴射弁８を、そのノズル部８ａを頂点とする仮想上の円錐面３３に沿って放射状に燃料を噴射するマルチホールノズルとしてある。また、図（ｂ）に示したように、点火栓の放電電極部９ａは、前記マルチホールノズルから噴射された複数（この場合は８方向）の燃料噴霧ｍのうちの、隣接する２つの燃料噴霧の中間位置付近に位置するように設けてある。前記構成によれば、点火栓の放電電極部９ａに燃料噴霧が直接接触することがないため、燃料噴射中に点火を行ったとしてもいわゆる点火栓かぶりを起こすおそれがなく、かつ燃料噴霧に近い濃混合気雰囲気に対して点火を行うことができるので、良好な着火および燃焼を確保することができる。また、マルチホールノズルは、圧縮行程後半の筒内圧力が高い状況においても、窄まりないし形状変化の少ない燃料噴霧を形成できるので、着火性をより安定させられる効果もある。

図６と図７にそれぞれ本発明の第２、第３の実施形態を示す。前記第１の実施形態では比較的小径のキャビティ３１の周囲に第２のキャビティ３２を設けた二重キャビティ構造としてあるが、本発明ではこれに限らず、図６または図７に示したように単一のキャビティ構造としてもよい。図６はキャビティ３１の側壁部３１ａをシリンダ軸線に平行な直円筒面状に形成したもの、図７は側壁部３１ａを傾斜させて燃焼室方向に拡径するテーパ面状に形成したものである。

図６に示した直円筒面状の側壁部３１ａを有するキャビティ形状のものによると、キャビティ３１における燃料噴霧の反射方向がほぼシリンダ軸線に平行であるので、ピストン位置に関わらず安定した大きさの混合気塊を形成することができる。これに対して、図７に示したテーパ面状の側壁部３１ａを有するキャビティ形状のものによると、既述したように、キャビティ３１にて反射した混合気塊の拡散方向および点火栓の放電電極部９ａへの到達時間を燃料噴射時期に応じて調整することができる。これらの特性を利用することで、単一のキャビティ構成であっても幅広い運転域で層状燃焼を行わせると共に、前記した本発明による効果を実現することができる。

本発明を適用した直接噴射式内燃機関の全体構成図。 本発明の第１の実施形態に係る内燃機関の燃焼室構造の詳細を示す正面縦断面図。 本発明の第１の実施形態に係る内燃機関の燃焼室構造の詳細を示す側面縦断面図。 前記実施形態のピストン冠面の上面図。 前記実施形態の燃料噴霧の挙動を示す説明図。 燃料噴射弁の燃料噴霧の形成状態の一例を示す説明図。 本発明の第２の実施形態に係るキャビティ形状の概略縦断面図。 本発明の第３の実施形態に係るキャビティ形状の概略縦断面図。

符号の説明

１ 直接噴射式内燃機関の本体
２ 吸気通路
３ スロットルバルブ
４ 排気通路
６ 吸気弁
７ 排気弁
８ 燃料噴射弁
９ 点火栓
９ａ 点火栓の放電電極部
１０ コントロールユニット
２１ 燃焼室
２２ シリンダヘッド
２３ シリンダブロック
２４ ピストン
３１ キャビティ
３２ 第２のキャビティ
３１ａ，３１ｂ キャビティの側壁部

Claims (15)

1. ピストン冠面に設けられたキャビティに向けて燃料を噴射する燃料噴射弁と、放電電極部が前記燃料噴射弁からの燃料噴霧に近接して位置するように取り付けられた点火栓と、機関運転状態を検出する運転状態検出装置と、前記検出運転状態に基づいて前記燃料噴射弁による燃料噴射量、噴射時期および前記点火栓による点火時期を制御する制御装置とを備えた直接噴射式内燃機関において、
   前記制御装置を、前記点火時期よりも、キャビティから反転してきた燃料噴霧が前記放電電極部の近傍域に到達する時期のほうが遅くなる時期に燃料噴射を行うように設定したことを特徴とする直接噴射式内燃機関。
2. ピストン冠面に設けられたキャビティに向けて燃料を噴射する燃料噴射弁と、放電電極部が前記燃料噴射弁からの燃料噴霧に近接して位置するように取り付けられた点火栓と、機関運転状態を検出する運転状態検出装置と、前記検出運転状態に基づいて前記燃料噴射弁による燃料噴射量、噴射時期および前記点火栓による点火時期を制御する制御装置とを備えた直接噴射式内燃機関において、
   前記制御装置を、点火栓による点火時期の付近にて、前記燃料噴射弁による燃料噴射を終了させるように設定したことを特徴とする直接噴射式内燃機関。
3. 前記キャビティを、シリンダ軸方向から見て、前記キャビティの側壁部によって画成されるキャビティ領域の内側に、前記点火栓の放電電極部が位置するように配置した請求項１または請求項２に記載の直接噴射式内燃機関。
4. 前記キャビティの側壁部は、シリンダ軸線に対して略平行である請求項３に記載の直接噴射式内燃機関。
5. 前記キャビティ側壁部は、キャビティ底部側を基点としてシリンダ壁側に傾斜している請求項３に記載の直接噴射式内燃機関。
6. 前記燃料噴射弁は、その燃料噴霧の中心がシリンダ軸線対して略平行となるように設けてある請求項１または請求項２に記載の直接噴射式内燃機関。
7. 前記燃料噴射弁は、シリンダ軸方向からみて前記キャビティの中心と略一致する位置に設けてある請求項１または請求項２に記載の直接噴射式内燃機関。
8. 前記キャビティの周囲に環状の第２のキャビティを設けてある請求項１または請求項２に記載の直接噴射式内燃機関。
9. 前記第２のキャビティの側壁は、シリンダ軸線に対して略平行である請求項８に記載の直接噴射式内燃機関。
10. 前記点火時期を、燃料噴射期間内に設定した請求項１または請求項２に記載の直接噴射式内燃機関。
11. 前記燃料噴射弁は、そのノズル部を頂点とする仮想上の円錐面に沿って放射状に燃料を噴射するマルチホールノズルを有する請求項１または請求項２に記載の直接噴射式内燃機関。
12. 前記点火栓の放電電極部を、前記マルチホールノズルから噴射された複数の燃料噴霧のうちの、隣接する２つの燃料噴霧の中間に位置させた請求項１１に記載の直接噴射式内燃機関。
13. ピストン冠面に設けたキャビティに向けて燃料を噴射する燃料噴射弁を備えると共に、点火栓をその放電電極部が前記燃料噴射弁からの燃料噴霧に近接して位置するように設けた直接噴射式内燃機関において
    前記燃料噴射弁から前記キャビティに向けて燃料を噴射供給し、
    次いで前記キャビティへの燃料噴霧を該キャビティ側壁に沿って燃焼室へと上昇させ、
    該上昇した燃料噴霧が前記点火栓の放電電極近傍に到達する以前の時期に点火を行うこと
    を特徴とする直接噴射式内燃機関の燃焼方法。
14. ピストン冠面に設けたキャビティに向けて燃料を噴射する燃料噴射弁を備えると共に、点火栓をその放電電極部が前記燃料噴射弁からの燃料噴霧に近接して位置するように設けた直接噴射式内燃機関において
    前記燃料噴射弁から前記キャビティに向けて燃料を噴射供給し、
    前記燃料噴射は、その終了時期が前記点火栓による点火時期付近であること
    を特徴とする直接噴射式内燃機関の燃焼方法。
15. 前記点火時期を、燃料噴射期間内に設定した請求項１３または請求項１４に記載の直接噴射式内燃機関の燃焼方法。

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