JP2006307691A - 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、点火栓の消耗およびスモーク発生という問題が生じる。
【解決手段】燃焼室２１内にタンブルＴｎを生起し、燃料噴射後にキャビティ２５から反転してきた燃料噴霧と点火栓放電電極部９ａとの間の領域をタンブルが通過するように図り、前記タンブルが燃料噴霧の移動を抑制している間に点火を行う。放電電極部が濃混合気に晒されるのを回避した状態で点火を完了させることにより、放電電極部の混合気濃度を適正に維持して良好な着火燃焼性能を確保する。
【選択図】図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制御方法に関する。

火花点火方式の直接噴射式内燃機関では、特許文献１に示されるように、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、特許文献２に示されるように、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。
特開平6-81651号公報 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および点火栓を備え、所定の運転域にて、圧縮行程途中で噴射した燃料による成層混合気を着火燃焼させる成層燃焼運転を行うように構成され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制御方法を要旨とするものである。
・燃焼室内にタンブルを生起するタンブル発生手段を設ける。該タンブル発生手段は、燃料噴射後にキャビティから反転してきた燃料噴霧と前記点火栓の放電電極部との間の領域をタンブルが通過するように図る。また、前記制御装置を、燃料噴霧が前記放電電極部の近傍域に到達するのを前記タンブルが抑制している間に点火を行うように構成する。
・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る一方、燃焼室内にタンブルを生起し、該タンブルにより、前記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のを抑制し、前記燃料噴霧抑制の間に点火を行わせる。

前記本発明による直接噴射式内燃機関または燃焼制御方法によれば、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のをタンブルにより抑制し、放電電極部が濃混合気に晒されるのを回避した状態で点火を完了させるようにしたことから、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直接噴射式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、点火栓１９および後述するタンブル発生手段の作動を制御する。

図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２５を形成してある。前記キャビティ２５の中心と燃料噴射弁８の中心とはほぼ一致させてある。なお前記キャビティの側壁部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。一方、点火栓９については、その放電電極部９ａが、燃料噴射弁８から見て排気弁７側であって、かつ燃料噴射弁８からの燃料噴霧に近接したスプレーガイド配置としてある。

吸気通路２の吸入ポート部２ａには、燃焼室２１内に縦方向の吸気旋回流であるタンブルを生起するタンブル発生手段として、タンブル制御弁３１を介装してある。タンブル制御弁３１は、図示したように側面から見て吸入ポート部２ａの流路中心付近に位置するように支持した弁軸３１ａと、この弁軸３１ａを中心に回動する弁板３１ｂ、及び弁軸３１ａを駆動するアクチュエータ３１ｃからなっている。吸入ポート部２ａは、前記弁軸３１ａよりも下流部分が仕切壁３１ｄを介して第１ポート部２ｂと第２ポート部２ｃとに上下二分割してある。

前記タンブル制御弁３１は、その弁板３１ｂが仕切壁３１ｄに沿った位置（図の破線の位置）では上下のポート部２ｂと２ｃを両方とも開放しており、これにより吸気は両ポート部を介して燃焼室２１に吸入される。これに対して、弁板３１ｂが図で時計方向に回動するに従い、下方のポート部２ｃの入口部開口面積が絞られることから、吸気流は上方のポート部２ｂを介して流れる割合が多くなり、弁板３１ｂが全閉した状態では上方のポート部２ｂのみを介して吸気が流れる。上方のポート部２ｂを介して燃焼室２１に流れ込む吸気は、シリンダおよび燃焼室空間内に縦方向の吸気流動、すなわちタンブルを生起する。この場合、前記タンブルは図で時計方向に旋回する渦流れを形成する（この方向の旋回流を「順方向のタンブル」、これと逆の反時計方向の旋回流を「逆方向のタンブル」と称する）。したがって、弁板３１ｂにより下方のポート部２ｃの開度を減じるほど同一吸気流量での流速が高くなり、それだけタンブルの流動強さが大きくなる。本実施形態では、このタンブルの強さを成層運転時の運転状態に応じて、基本的には負荷が増大するほどその流動強さが増すように制御するが（図４参照）、これは前記制御装置１０がアクチュエータ３１ｃを介して弁軸３１ａ及び弁体３１ｂを駆動する構成による。

図３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挙動を示しており、図の（ａ）は噴射初期、（ｂ）は噴射中期、（ｃ）は噴射後期ないし噴射直後の状態である。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い、点火時期としては前記（ｃ）のタイミングである。このとき燃料噴射弁８からの燃料は、図（ａ）に示したようにキャビティ２５のほぼ中心部に向けて、そのほぼ全量がキャビティ２５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２５の底面に衝突し、外周方向に拡散したのち、キャビティ側壁部に衝突および案内されて、（ｂ）または（ｃ）に示したように、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２５の外径形状に沿った略環状の混合気塊Ｍを形成する。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２５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２５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、これは未燃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Ｍは、やがてピストン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その一部は点火栓の放電電極部９ａへと向かう。本実施形態では、このようにして層状をなす燃料濃度の高い混合気塊Ｍが放電電極部９ａへと達するのを抑制するように、前記混合気塊Ｍと放電電極部９ａとの間に流れ込むように順方向のタンブルＴｎを供給する。この順方向タンブルＴｎにより、排気弁７側に位置する点火栓電極部９ａに向かって上昇しつつある混合気塊Ｍの移動が全体的もしくは部分的に抑えられるので、点火時期において放電電極部９ａの周辺がリッチ雰囲気となることがなく、したがって良好な着火燃焼が得られ、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。

前記タンブルは、図４に示したように、基本的にはその流動強さを負荷が増大するほど大きくなるように、前記タンブル発生手段（制御弁３１）により制御する。すなわち、高負荷時ほど燃料噴射量が増大して噴霧のペネトレーションも強くなるので、これに対応するようにタンブルの流動強さも大きくするのである。これにより層状運転域内での機関運転状態に応じて点火栓放電電極部９ａ周辺の混合気濃度を適切に管理して、安定した着火燃焼性能を確保することができる。ただし、このようにタンブルを供給し、またはその流動強さを加減する制御は常に必須とういものではなく、前述のように放電電極部９ａの混合気濃度が問題となるときにのみ行うようにすれば足りることは言うまでもない。

一方、この実施形態では、点火栓の放電電極部９ａを排気弁７の側に設けてあるが、排気弁７は吸気弁６に比較して小径であるので、この構成によればシリンダヘッド２２における点火栓９等の配置が比較的容易であるという利点もある。

図５は、前述したような燃料噴射期間内の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。図の（ａ）は燃料噴霧の斜視図、図の（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、（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、（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、すぼまりまたは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に本発明の第２の実施形態を示す。この実施形態はタンブル発生手段に関するもので、図示したように吸入ポート部２ａそのものを、燃焼室２１の上方から吸気を導入する、いわゆるタンブルポート形状として、燃焼室２１内に逆方向のタンブルＴｃを生起するようにしたものである。また、点火栓９はその放電電極部９ａが燃料噴射弁８から見て吸気弁６側に位置するように設けてある。

図７は、本実施形態に係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挙動を示しており、図の（ａ）は噴射初期、（ｂ）は噴射中期、（ｃ）は噴射後期ないし噴射直後の状態である。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い、点火時期としては前記（ｃ）のタイミングである。この実施形態においても、前記逆方向タンブルＴｃをその流動によりキャビティ２５からの混合気塊が点火栓放電電極部９ａに接近するのを抑えるように図るものであり、これにより第１の実施形態と同様に良好な着火燃焼を得て、くすぶりやスモークの発生を防止することができる。

一方、この実施形態では、点火栓の放電電極部９ａを吸気弁６の側に設けてあるが、この構成によると比較的ノッキングを起こしやすい吸気弁側から先に混合気の燃焼が開始されるので、高出力を確保しやすいという利点もある。

本発明を適用可能な直接噴射式内燃機関の一例を示す全体構成図。 本発明の第１の実施形態に係る内燃機関の燃焼室付近の詳細構造を示す正面縦断面図。 前記第１の実施形態の燃料噴霧の挙動を示す説明図。 前記第１の実施形態における機関負荷とタンブル流動強さとの関係を示す特性線図。 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の実施形態に係る内燃機関の燃焼室付近の詳細構造を示す正面縦断面図。 前記第２の実施形態の燃料噴霧の挙動を示す説明図。

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
２５ キャビティ
３１ タンブル制御弁（タンブル発生手段）

Claims (11)

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、燃焼室内の混合気に着火する点火栓と、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、
   所定の運転域にて、圧縮行程途中で噴射した燃料による成層混合気を着火燃焼させる成層燃焼運転を行うように構成された直接噴射式内燃機関において、
   燃焼室内にタンブル生起するタンブル発生手段を設け、
   該タンブル発生手段は、燃料噴射後にキャビティから反転してきた燃料噴霧と前記点火栓の放電電極部との間の領域をタンブルが通過するように図ると共に、
   前記制御装置を、燃料噴霧が前記放電電極部の近傍域に到達するのを前記タンブルが抑制している間に点火を行うように構成したこと
   を特徴とする直接噴射式内燃機関。
2. 前記タンブル発生手段を、燃焼室内に順方向のタンブルを生起するように構成すると共に、前記点火栓の放電電極部を、前記燃料噴射弁よりも排気弁側に位置させた請求項１に記載の直接噴射式内燃機関。
3. 前記タンブル発生手段を、燃焼室内に逆方向のタンブルを生起するように構成すると共に、前記点火栓の放電電極部を、前記燃料噴射弁よりも吸気弁側に位置させた請求項１に記載の直接噴射式内燃機関。
4. 前記タンブル発生手段は、機関負荷が大きくなるほどタンブルの流動強さが大きくなるように前記制御装置によって制御される請求項１に記載の直接噴射式内燃機関。
5. 前記点火時期を、燃料噴射期間の後半ないし燃料噴射期間終了直後に設定した請求項１に記載の直接噴射式内燃機関。
6. 前記点火栓を、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、前記燃料噴射弁近傍の燃料噴霧によって形成される可燃混合気に着火するようにした請求項１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に記載の直接噴射式内燃機関。
8. 前記燃料噴射弁を、その燃料噴霧の中心がシリンダ中心線に対して平行となるように設けた請求項７に記載の直接噴射式内燃機関。
9. 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に記載の直接噴射式内燃機関。
10. 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９に記載の直接噴射式内燃機関。
11. 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る一方、
    燃焼室内にタンブルを生起し、該タンブルにより、前記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のを抑制し、
    前記燃料噴霧抑制の間に点火を行わせること
    を特徴とする直接噴射式内燃機関の燃焼制御方法。

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