JP2007247508A - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】後期燃焼のみならず前期燃焼をも改善できる筒内噴射式火花点火内燃機関を提供する。
【解決手段】筒内噴射式火花点火内燃機関１は、気筒３内に噴射された燃料を点火プラグ６にて所定の点火時期に着火するものであり、吸気ポート７が位置する吸気側から排気ポート８が位置する排気側に向かって気筒３の中心線を横切る方向に流れる第１気流ｆ１が供給されるように気筒３内に空気を噴射するとともに、気筒３の内周面に沿う方向に流れる第２気流ｆ２が供給されるように気筒３内に空気を噴射する気液噴射装置２０を備えている。そして、点火時期の前に第１気流ｆ１が供給され、かつその点火時期の後に第２気流ｆ２が供給されるように気液噴射装置２０を制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料を気筒内に直接噴射して点火プラグにて着火する筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。

筒内噴射式火花点火内燃機関として、気筒の内周面に沿う方向に高圧空気を噴射可能な複数の噴孔を有したリングをシリンダブロックとシリンダヘッドとの間に挟み込んだものがある（特許文献１）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２〜５が存在する。

特開２００４−３４２８号公報 特開２００３−４９６５０号公報 特開２０００−１７９４３３号公報 特開２００５−６１２６８号公報 特開２００５−３０３２１号公報

特許文献１の内燃機関は複数の噴孔から高圧空気を噴射させて気筒の内周面付近に乱流を形成し、その乱流により火炎伝播速度を加速してノッキングを防止する。しかしながら、この内燃機関は高圧空気の噴射によってノッキングを防止できる反面、その高圧空気の噴射により気筒内に形成されるタンブルを阻害する。従って、この内燃機関では、その高圧空気の噴射を燃焼期間の前半に相当する前期燃焼（０〜１０％燃焼期間）の改善に利用することができず、その高圧空気の噴射によって燃焼期間の後半に相当する後期燃焼（１０〜９０％燃焼期間）を改善できるにすぎない。

そこで、本発明は、後期燃焼のみならず前期燃焼をも改善できる筒内噴射式火花点火内燃機関を提供することを目的とする。

本発明の筒内噴射式火花点火内燃機関は、気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射手段を有し、前記気筒内に噴射された燃料を点火プラグにて所定の点火時期に着火する筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気ポートが位置する吸気側から排気ポートが位置する排気側に向かって前記気筒の中心線を横切る方向に流れる第１気流が供給されるように前記気筒内に気体を噴射する第１気流供給手段と、前記気筒の内周面に沿う方向に流れる第２気流が供給されるように前記気筒内に気体を噴射する第２気流供給手段と、前記点火時期の前に前記第１気流が供給され、かつ当該点火時期の後に前記第２気流が供給されるように、前記第１気流供給手段及び前記第２気流供給手段をそれぞれ制御する気流制御手段と、を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

この内燃機関によれば、点火時期の前に第１気流が供給され、その後に第２気流が供給される。第１気流の供給によって吸気ポートから導入された吸気流で形成されるタンブルを強化することができるので前期燃焼が改善され、さらに第２気流の供給によって気筒の内周壁付近に乱流が生じ火炎伝播速度が加速されるのでノッキングを防止できる。つまり、この内燃機関によれば前期燃焼のみならず後期燃焼をも改善することが可能となる。なお、本発明においては、点火時期の後に第１気流が供給されること、点火時期の前に第２気流が供給されることを排除するものではない。つまり、第１気流と第２気流とが同時に供給される期間が存在してもよい。また、第１気流と第２気流とがとも供給されていない期間が存在してもよい。つまり、本発明は第１気流の供給終了後、所定期間経過後に第２気流が供給される態様を排除するものではない。

本発明の内燃機関においては、前記燃料噴射手段による燃料の噴射方向と前記第１気流供給手段による気体の噴射方向とが略平行で、かつ気体の噴射位置が燃料の噴射位置よりも前記気筒の中心線方向に関して下方に位置するように前記燃料噴射手段と前記第１気流供給手段とがそれぞれ配置されていてもよい（請求項２）。この態様によれば、第１気流によって、燃料噴射手段にて噴射された燃料が気筒の中心線方向の下方へ広がることを抑制できる。そのため、気筒の内周面及びピストンの頂面で構成される燃焼室への燃料付着、特にピストン頂面への燃料付着を効果的に防止することができるようになる。

また、本発明の内燃機関においては、前記燃料噴射手段と、前記第１気流供給手段と、前記第２気流供給手段とが組み合わされ、かつ、前記燃料の噴射、前記第１気流の供給及び前記第２気流の供給をそれぞれ独立して実行可能に構成された気液噴射装置を備えてもよい（請求項３）。この態様によれば、一つの気筒に対する燃料の噴射と、第１気流の供給と、第２気流の供給とが一つの気液噴射装置にて実現できる。そのため、燃料噴射手段、第１気流供給手段及び第２気流供給手段をそれぞれ別装置で構成する場合と比較して、部品点数を削減できるとともに組み付けコストの増大を抑制できる。

以上説明したように、本発明の内燃機関の制御装置によれば、吸気側から排気側に向かって気筒の中心線を横切る方向に流れる第１気流を点火時期の前に、気筒の内周面に沿う方向に流れる第２気流を点火時期の後にそれぞれ供給するようにしたので、第１気流の供給によってタンブルを強化し、かつ第２気流の供給によってノッキングを防止できる。よって、前期燃焼のみならず後期燃焼をも改善することができるようになる。

図１は本発明が適用される内燃機関の一実施形態を示している。図１の筒内噴射式火花点火内燃機関（以下内燃機関という）１は４サイクル式のガソリンエンジンとして構成されており、そのシリンダブロック２には複数の気筒３（図１では一つのみ示す。）が形成されている。各気筒３にはピストン４が上下動自在に挿入される。ピストン４の頂面には凹部４ａが形成されているが、その頂面がフラットな形状でもよい。各気筒３の開口部はシリンダヘッド５にて閉じられ、そのシリンダヘッド５には点火プラグ６がその電極部を各気筒３の略中心線上に位置させて取り付けられている。シリンダヘッド５には、点火プラグ６を挟むようにして吸気ポート７及び排気ポート８が気筒３毎に設けられるとともに、その吸気ポート７を開閉する吸気バルブ９と、排気ポート８を開閉する排気バルブ１０とが１つの気筒３に対して２本ずつ取り付けられている。なお、点火プラグ６の位置からみたときに２本の吸気バルブ９は図１の紙面と直交する方向に関して左右対称に配置されるが、図１では片側の吸気バルブ９のみを示している。排気バルブ１０についても吸気バルブ９と同様に気筒３の中心位置を挟んで左右対称に並べられる。

また、シリンダヘッド５には、燃料と、気体としての空気とを噴射可能な気液噴射装置２０がその先端部２１を気筒３内に露出させるようにして各気筒３に一つずつ設けられている。なお、図１では一つの気液噴射装置２０のみが図示されている。気液噴射装置２０への燃料の供給は燃料供給装置（不図示）にて行われ、気液噴射装置２０への空気の供給は空気供給装置３０にて行われる。空気供給装置３０は、エアクリーナ（不図示）にて濾過された空気を加圧するエアポンプ３１と、エアポンプ３１にて圧送された空気を加圧状態で保持する蓄圧タンク３２と、気液噴射装置２０と蓄圧タンク３２とを接続する空気供給通路３３とを備えている。空気供給通路３３は、各気筒３の並び方向に延びるデリバリ部３３ａと、各気液噴射装置２０とデリバリ部３３ａとを接続する複数の分岐部３３ｂとを有している。これにより、デリバリ部３３ａに導かれた空気は分岐部３３ｂを介して気筒３毎に設けられた気液噴射装置２０に分配される。

図２及び図３は気液噴射装置２０が燃料及び空気を噴射する状態を模式的に示し、図２は図１に示した気筒３の上部を拡大した縦断面模式図であり、図３は気筒３の周辺をその中心線方向の上方から示した平面図である。これらの図に示すように、気液噴射装置２０は、気筒３の中心線ＣＬを横切る方向に延びる燃料噴霧ｆ０と、吸気側から排気側に向かってその中心線ＣＬを横切る方向に流れる第１気流ｆ１と、気筒３の内周面に沿う方向に流れる第２気流ｆ２とをそれぞれ気筒３内に供給できるように構成されている。

図４は気液噴射装置２０の先端部２１を拡大した斜視図である。図４に示すように、その先端部２１には３つの噴孔２１ａ、２１ｂ、２１ｃが形成されている。噴孔２１ａ及び噴孔２１ｂは先端部２１の長手方向と略同方向にそれぞれ開口し、噴孔２１ｃは先端部２１の長手方向と交差する方向に開口している。これらの噴孔２１ａ、２１ｂ、２１ｃのうち、噴孔２１ａから燃料が噴射されることにより燃料噴霧ｆ０が、噴孔２１ｂから空気が噴射されることにより第１気流ｆ１が、噴孔２１ｃから空気が噴射されることにより第２気流ｆ２がそれぞれ気筒３内に供給されるようになっている。図示を省略したが、気液噴射装置２０は各噴孔２１ａ、２１ｂ、２１ｃに連通する通路を有し、これらの通路には燃料が燃料供給装置にて、空気が空気供給装置３０にてそれぞれ供給される。そして、気液噴射装置２０はこれらの通路をそれぞれ開閉できる駆動機構（不図示）を具備している。その駆動機構が適宜操作されることにより、気液噴射装置２０は燃料噴霧ｆ０、第１気流ｆ１及び第２気流ｆ２の供給をそれぞれ独立して実現できる。こうして気液噴射装置２０は、本発明に係る燃料噴射手段、第１気流供給手段及び第２気流供給手段としてそれぞれ機能することができる。

図２及び図４に示すように、気液噴射装置２０の噴孔２１ａから燃料が噴射される噴射方向と、噴孔２１ｂから空気が噴射される噴射方向とが略平行になっており、しかも第１気流ｆ１を供給するための噴孔２１ｂは、燃料が噴射される噴孔２１ａよりも中心線ＣＬ方向に関して下方に位置している。そのため、噴孔２１ａから燃料が噴射されている状態で、噴孔２１ｂから空気を噴射することにより、中心線ＣＬ方向の下方への燃料噴霧ｆ０の広がりが抑えられ、燃焼室の内壁、特にピストン４の頂面への燃料付着を抑制できる。

図１に示すように、気液噴射装置２０の制御は、内燃機関１の運転状態を適正に制御するために設けられたエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）４０にて行われる。ＥＣＵ４０は、マイクロプロセッサ、及びその動作に必要なＲＯＭ、ＲＡＭ等の周辺装置を備えた周知のコンピュータで、ＥＣＵ４０には内燃機関１の運転状態を検出するために各種センサが接続されている。例えば、ＥＣＵ４０には内燃機関１のクランク軸の回転速度を検出するためのクランク角センサ４１及び吸入空気量を検出するためのエアフローメータ４２等が接続されている。

ＥＣＵ４０は各種センサの出力信号を参照して、運転状態に適した燃料噴射量、燃料噴射時期、燃料噴射期間及び点火時期等の運転パラメータを演算し、その演算結果に応じて内燃機関１の各部を制御する。これらの制御は周知の方法にて実現されている。例えば、点火時期については、内燃機関１の回転速度が大きくなるほど点火時期を進角するようにＥＣＵ４０が制御している。また、ＥＣＵ４０は通常運転時には吸気行程中に燃料が噴射されるように気液噴射装置２０を制御するが、冷間始動から所定期間においては触媒（不図示）の暖機向上を図るため圧縮行程中に燃料が噴射されるように気液噴射装置２０を制御している。その他、本発明の要旨と直接関係しない制御については、詳細な説明を省略する。

図５は、気液噴射装置２０に対する制御の一例を示したタイミングチャートである。この図において横軸はクランク角を示し、その原点は圧縮行程上死点を示す。この図に示すように、燃料噴射期間Ｔ０は吸気バルブ９が開かれている吸気行程中に設定されており、点火時期θｆは上死点前２０°ＣＡ近辺に設定されている。そして、第１気流ｆ１の供給開始時期θ１ｓは点火時期θｆよりも前に設定され、供給終了時期θ１ｅは点火時期と同時期に設定される。更に言えば、供給開始時期θ１ｓは燃料噴射が終了する前、つまり燃料噴射期間Ｔ０中に設定される。従って、燃料噴射と第１気流ｆの供給とが同時に実行される期間が存在する。それにより、ピストン４の頂面への燃料付着が防止される。また、第２気流ｆ２の供給開始時期θ２ｓは点火時期θｆと同時期に設定され、供給終了時期θ２ｅは点火時期θｆよりも後で、かつ排気バルブ１０が開かれる前に設定される。つまり、図５に示した形態では、点火時期θｆを境にして第１気流ｆ１から第２気流ｆ２へ気流の形態が切替えられるようにＥＣＵ４０が気液噴射装置２０を制御している。

図５に示した各気流ｆ１、ｆ２を供給するための気流制御は、図６の制御ルーチンをＥＣＵ４０が実行することにより実現できる。図６は気流制御の制御ルーチンの一例を示したフローチャートである。図６のルーチンのプログラムはＥＣＵ４０のＲＯＭに予め記憶されており、ＥＣＵ４０が適宜に読み出して所定の間隔（例えば数ｍｓｅｃ）で繰り返し実行する。ＥＣＵ４０は、まずステップＳ１において、クランク角センサ４１の出力を参照して、現在のクランク角ｃｒｎｋが第１気流ｆ１の供給開始時期θ１ｓであるか否かを判定する。その判定の結果、クランク角ｃｒｎｋが供給開始時期θ１ｓである場合はステップＳ２に進み、供給開始時期θ１ｓでない場合はステップＳ４に進む。

ステップＳ２では、第１気流ｆ１が気筒３内に供給されるようにＥＣＵ４０が気液噴射装置２０を操作し、続くステップＳ３で供給実行フラグＦ１をセットする（Ｆ１←１）。そして、今回のルーチンを終了する。供給実行フラグＦ１は気流ｆ１の供給実行の有無を管理するための変数であり、ＥＣＵ４０の所定領域に割り当てられている。フラグＦ１が１のときは第１気流ｆ１の供給実行中を、フラグＦ１が０の時はその停止中をそれぞれ意味する。

ステップＳ４では、ステップＳ１と同様の方法でクランク角ｃｒｎｋが第２気流ｆ２の供給開始時期θ２ｓであるか否かを判定する。その結果、クランク角ｃｒｎｋが供給開始時期θ２ｓであるときはステップＳ５に進み、そうでないときはステップＳ７に進む。ステップＳ５では、第２気流ｆ２が気筒３内に供給されるようにＥＣＵ４０が気液噴射装置２０を操作し、続くステップＳ６で供給実行フラグＦ２をセットする（Ｆ２←１）。そして、今回のルーチンを終了する。供給実行フラグＦ２は上述したフラグＦ１と同様のものである。即ち、供給実行フラグＦ２は第２気流ｆ２の供給実行の有無を管理するための変数で、ＥＣＵ４０のＲＡＭの所定領域に割り当てられている。フラグＦ２が１のときは第２気流ｆ２の供給実行中を、フラグＦ２が０の時はその停止中をそれぞれ意味する。

ステップＳ７では、供給実行フラグＦ１を参照して第１気流ｆ１の供給実行中であるか否かを判断する。その結果、実行中であるときは、ステップＳ８に進み、そうでない場合にはステップＳ１１に進む。ステップＳ８では、クランク角ｃｒｎｋが第１気流ｆ１の供給終了時期θ１ｅであるか否かを判定し、終了時期θ１ｅの場合はステップＳ９に進み、そうでない場合はステップＳ１１へ進む。

ステップＳ９では、第１気流ｆ１の供給が停止されるように気液噴射装置２０を操作し、続くステップＳ１０で供給実行フラグＦ１をクリアする（Ｆ１←０）。そして今回のルーチンを終了する。

ステップＳ１１では、供給実行フラグＦ２を参照して第２気流ｆ２の供給実行中であるか否かを判断する。その結果、実行中であるときは、ステップＳ１２に進み、そうでない場合には今回のルーチンを終了する。ステップＳ１２では、クランク角ｃｒｎｋが第２気流ｆ２の供給終了時期θ２ｅであるか否かを判定し、終了時期θ１ｅの場合はステップＳ１３に進み、そうでない場合は今回のルーチンを終了する。

ステップＳ１３では、第２気流ｆ２の供給が停止されるように気液噴射装置２０を操作し、続くステップＳ１４で供給実行フラグＦ２をクリアする（Ｆ２←０）。そして今回のルーチンを終了する。

以上、図６に示したルーチンをＥＣＵ４０が繰り返し実行することにより、ＥＣＵ４０は本発明に係る気流制御手段として機能する。前述したように、点火時期θｆは内燃機関１の回転速度が高速になるほど進角するようにＥＣＵ４０にて制御されているが、その点火時期θｆの変化に応じてこれらの時期θ１ｓ、θ１ｅ、θ２ｓ、θ２ｅも適宜に調整される。これにより、点火時期θｆの前に供給される第１気流ｆ１によってタンブルが強化されるとともに、点火時期θｆの後に供給される第２気流ｆ２によって気筒３の内周面付近の流れが乱される。そのため、点火プラグ６による燃焼の火炎面が気筒３の内周面に到達する前にそこから自着火するノッキングを抑制することができる。

本発明は以上の形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の形態にて実施できる。図５に示した例では、点火時期θｆを境にして二つの気流ｆ１、ｆ２が切替えられるように、第１気流ｆ１の供給終了時期θ１ｅと第２気流ｆ２の供給開始時期θ２ｓとがそれぞれ設定されているが、図７に示すように、第１気流ｆ１の供給期間と第２気流ｆ２の供給期間とが一部重なっていてもよい。つまり、第１気流ｆ１の供給終了時期θ１ｅを点火時期θｆよりも後に設定するとともに、第２気流の供給開始時期θ２ｓを第１気流の供給終了時期θ１ｅよりも前に設定してもよい。この場合、点火時期θｆよりも後に第１気流ｆ１が供給される期間が存在し、かつ点火時期θｆよりも前に第２気流ｆ２が供給される期間が存在することになる。しかし、このような場合でも、点火時期θｆの前に第１気流ｆ１が供給される期間が存在し、かつ点火時期θｆの後に第２気流ｆ２が供給される期間が存在するので、上述した効果は発揮できる。また、図７と同様の趣旨で、図８に示すように、第１気流ｆ１と第２気流ｆ２とがとも供給されていない期間が点火時期θｆを跨いで存在してもよい。つまり、第１気流ｆ１の供給終了時期θ１ｅの後、所定期間経過後に第２気流ｆ２の供給開始時期θ２ｓが設定されてもよい。

上述の形態では、燃料噴射手段、第１気流供給手段及び第２気流供給手段が組み合わされた気液噴射装置２０が設けられているが、これらの手段をそれぞれ別装置で構成しても構わない。

本発明が適用される内燃機関の一実施形態を示した図。 図１の気液噴射装置が燃料及び空気を噴射する状態を模式的に示し、図１の気筒の上部を拡大した縦断面模式図。 図１の気液噴射装置が燃料及び空気を噴射する状態を模式的に示し、図１の気筒の周辺をその中心線方向の上方から示した平面図。 図１の気液噴射装置の先端部を拡大した斜視図。 本発明の実施形態に係る制御の一例を説明するタイミングチャート。 実施形態に係る気流制御の制御ルーチンの一例を示したフローチャート。 他の制御例を説明するタイミングチャート。 図７の制御例とは異なる他の制御例を説明するタイミングチャート。

符号の説明

１ 内燃機関
３ 気筒
６ 点火プラグ
７ 吸気ポート
８ 排気ポート
２０ 気液噴射装置（燃料噴射手段、第１気流供給手段、第２気流供給手段）
４０ ＥＣＵ（気流制御手段）
ｆ１ 第１気流
ｆ２ 第２気流

Claims (3)

1. 気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射手段を有し、前記気筒内に噴射された燃料を点火プラグにて所定の点火時期に着火する筒内噴射式火花点火内燃機関において、
   吸気ポートが位置する吸気側から排気ポートが位置する排気側に向かって前記気筒の中心線を横切る方向に流れる第１気流が供給されるように前記気筒内に気体を噴射する第１気流供給手段と、前記気筒の内周面に沿う方向に流れる第２気流が供給されるように前記気筒内に気体を噴射する第２気流供給手段と、前記点火時期の前に前記第１気流が供給され、かつ当該点火時期の後に前記第２気流が供給されるように、前記第１気流供給手段及び前記第２気流供給手段をそれぞれ制御する気流制御手段と、を備えることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
2. 前記燃料噴射手段による燃料の噴射方向と前記第１気流供給手段による気体の噴射方向とが略平行で、かつ気体の噴射位置が燃料の噴射位置よりも前記気筒の中心線方向に関して下方に位置するように前記燃料噴射手段と前記第１気流供給手段とがそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
3. 前記燃料噴射手段と、前記第１気流供給手段と、前記第２気流供給手段とが組み合わされ、かつ、前記燃料の噴射、前記第１気流の供給及び前記第２気流の供給をそれぞれ独立して実行可能に構成された気液噴射装置を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。

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