JP2008106690A - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気弁の閉弁時期を遅くしたアトキンソンサイクル運転を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気行程で気筒内に生成されるタンブル流を良好に強めて、圧縮行程後半まで強いタンブル流を持続させて気筒内に強い乱れを発生させる。
【解決手段】燃料噴射弁１０により吸気下死点から吸気弁閉弁までの間において噴射される燃料Ｆによって気筒内のタンブル流Ｔを強める。
【選択図】図１

Description

本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。

均質燃焼に際して、吸気行程で気筒内に生成されるタンブル流を強めることができれば、タンブル流は、圧縮行程後半まで持続し、その後、ピストンにより潰されて気筒内に乱れを発生させ、燃焼速度を速めることができる。筒内噴射式火花点火内燃機関では、タンブル流を強めるために、気筒内に噴射される燃料の貫徹力を利用することができる。

ところで、ポンピング損失を低減して燃料消費を抑制するために、吸気弁の閉弁時期を遅らせるアトキンソン（ミラー）サイクルの筒内噴射式火花点火内燃機関が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−５２５５１ 特開平９−２８７４８７

前述の筒内噴射式火花点火内燃機関を含めて一般的なアトキンソンサイクルの筒内噴射式火花点火内燃機関では、燃料噴射時期は吸気下死点前とされている。こうして吸気下死点前に燃料が噴射されても、燃料噴射方向を適当に選択することにより、気筒内のタンブル流を強めて圧縮行程後半まで持続させることは可能である。しかしながら、圧縮行程後半のタンブル流をさらに強くして気筒内に発生する乱れを強くすれば、さらに燃焼速度の速い良好な均質燃焼を実現することができる。

本発明の目的は、吸気弁の閉弁時期を遅くしたアトキンソンサイクル運転を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気行程で気筒内に生成されるタンブル流を良好に強めて、圧縮行程後半まで強いタンブル流を持続させて気筒内に強い乱れを発生させるようにすることである。

本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、吸気弁の閉弁時期を遅くしたアトキンソンサイクル運転を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁により吸気下死点から吸気弁閉弁までの間において噴射される燃料によって気筒内のタンブル流を強めることを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁は、吸気下死点から吸気弁閉弁までの間において、高回転数時には低回転時に比較して進角して燃料を噴射することを特徴とする。

本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１又２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁は、吸気下死点から吸気弁閉弁までの間において、高回転数時には低回転時に比較して噴射率を高くして燃料を噴射することを特徴とする。

本発明による請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁は、気筒上部周囲の吸気弁側に配置され、シリンダボアの排気弁側上部へ向けて燃料を噴射することを特徴とする。

本発明による請求項５に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気弁用のカムプロフィールは、開弁速度を閉弁速度より速くするようにされていることを特徴とする。

吸気弁の閉弁時期を遅くしたアトキンソンサイクル運転を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気下死点から吸気弁閉弁までの間は気筒内の吸気が吸気弁を介して流出し、この流出吸気は、吸気下死点前に気筒内の排気弁側を下降して吸気弁側を上昇するように気筒内に形成されたタンブル流を加速させる。本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関では、それと同時に、燃料噴射弁により噴射される燃料によってタンブル流を強めるようにしており、効果的にタンブル流を強めることができる。こうして、圧縮行程前半に良好に強められたタンブル流は、圧縮行程後半となってもそれほど減衰することはなく強いまま持続し、その後、ピストンにより潰されれば気筒内にさらに強い乱れを発生させることができる。

本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、高回転時には低回転時に比較して燃料噴射終了から点火時期までの時間が短くなり易いために、燃料噴射弁は、吸気下死点から吸気弁閉弁までの間において、高回転数時には低回転時に比較して進角して燃料を噴射し、燃料噴射終了を早めて点火時期までの燃料の気化時間を確保するようになっている。

本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項１又２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、高回転時には低回転時に比較して燃料噴射終了から点火時期までの時間が短くなり易いために、燃料噴射弁は、吸気下死点から吸気弁閉弁までの間において、高回転数時には低回転時に比較して噴射率を高くして燃料を噴射し、燃料噴射終了を早めて点火時期までの燃料の気化時間を確保するようになっている。

本発明による請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射弁は、気筒上部周囲の吸気弁側に配置され、シリンダボアの排気弁側上部へ向けて燃料を噴射するようになっている。それにより、噴射燃料により良好にタンブル流を強めることができる。

本発明による請求項５に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、気筒上部周囲の燃料噴射弁からシリンダボアの排気弁側上部へ向けて噴射される燃料は、最大リフト量近傍で開弁する吸気弁に衝突し易いために、吸気弁用のカムプロフィールは、開弁速度を閉弁速度より速くするようにされ、吸気下死点から吸気弁閉弁までの間において吸気弁のリフト量を小さくし、噴射燃料が吸気弁へ衝突しないようにしている。

図１は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図であり、均質燃焼のための燃料噴射時期を示している。同図において、１０は気筒上部略中心に配置されて気筒内へ直接的に燃料を噴射するための燃料噴射弁であり、２０は燃料噴射弁１０の近傍に配置された点火プラグである。３０は一対の吸気弁３ａを介して気筒内へ通じる吸気ポートであり、４０は一対の排気弁（図示せず）を介して気筒内へ通じる排気ポートである。５０はピストンである。

本筒内噴射式火花点火内燃機関は、燃料噴射弁１０により気筒内へ直接的に燃料を噴射することにより、圧縮行程末期の点火時期には気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を火花点火させて均質燃焼を実施する。

燃料噴射弁１０は、図１に示すように、燃料Ｆを斜め下方向にシリンダボアの排気弁側（好ましくは、燃料噴射時期におけるシリンダボアの排気弁側下部）へ向けて噴射する。燃料噴射弁１０から噴射される燃料Ｆの貫徹力は、燃料噴射開始から１ｍｓ後の燃料先端が６０ｍｍ以上に達するように設定される。

このように強い貫徹力の燃料Ｆが気筒上部略中心からシリンダボアの排気弁側へ向けて斜め下方向に噴射されると、気筒内の排気弁側を下降して吸気弁側を上昇するように気筒内に形成されたタンブル流Ｔを燃料の貫徹力により強めることができる。こうして強められたタンブル流Ｔは、圧縮行程後半まで確実に気筒内に持続し、その後、ピストン５０により潰されて気筒内に乱れを発生させるために、圧縮行程末期の点火時期において着火すれば燃焼速度の速い良好な均質燃焼を実現することができる。

燃料噴射弁１から噴射される噴射燃料Ｆの形状は、任意に設定可能であり、例えば、単一噴孔から噴射される中実又は中空の円錐形状としても良い。また、スリット状噴孔から噴射される比較的厚さの薄い略扇形状としても良い。また、円弧状スリット噴孔や複数の直線スリット噴孔の組み合わせにより、上側及び排気弁側を凸とする比較的厚さの薄い円弧状断面形状又は折れ線状断面形状としても良い。いずれにしても噴射燃料が前述したような強い貫徹力を有して、気筒内のタンブル流Ｔを加速させるようになっていれば良い。

本筒内噴射式火花点火内燃機関において、点火プラグ２０は、燃料噴射弁１０より吸気弁側に配置されているために、燃料噴射弁１０からシリンダボアの排気弁側へ向けて噴射される燃料により濡らされることはなく、点火時期においてアークを確実に発生させることができる。

本筒内噴射式火花点火内燃機関において、均質燃焼の空燃比は、理論空燃比よりリーンとされ（好ましくは、ＮＯ_Xの生成量が抑制されるリーン空燃比２０以上とされる）、燃料消費を抑制するようにしているために、燃焼が緩慢となり易く、前述のようにして燃焼速度を速めることは特に有効である。もちろん、均質燃焼の空燃比は、理論空燃比又はリッチ空燃比としても良く、この場合においても燃焼速度を速めることは有効である。

本実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関は、吸気弁３ａの閉弁時期を、例えば、吸気下死点後９０±２０クランク角度の範囲内に設定することにより、ポンピング損失を減少させて燃料消費を抑制するアトキンソン（ミラー）サイクル運転を実施する。このように吸気弁３ａが遅閉じされる場合には、吸気下死点から吸気弁３ａの閉弁までの間において、図１に示すように、吸気弁３ａを介して吸気の一部Ｂが吸気ポート３０へ流出する。厳密には、吸気下死点直後は依然として吸気が気筒内へ流入するために、この吸気流入が停止した直後から吸気の流出が開始する。

このような吸気弁３ａを介しての吸気の流出は、シリンダボアの吸気弁側に沿って上昇するタンブル流Ｔを加速させる。本実施形態では、燃料噴射弁１０の弁体リフト量のタイムチャートである図２に実線で示すように、吸気下死点ＢＤＣから吸気弁閉弁時期Ｔまでの間において、燃料噴射弁１０により噴射開始時期Ｓから噴射終了時期Ｅまで燃料噴射を実施するようになっており、それにより、吸気流出により加速されたタンブル流Ｔは、噴射燃料Ｆによりさらに強められ、吸気下死点ＢＤＣ前の加速されていないタンブル流を噴射燃料により強める場合に比較して、噴射燃料Ｆにより効果的にタンブル流を強めることができる。

こうして、圧縮行程前半で良好に強められたタンブル流Ｔは、吸気弁３ａの閉弁後の圧縮行程後半において殆ど減衰することなく強く維持され、その後に、ピストン５０によって潰されると、気筒内に強い乱れを発生させる。それにより、圧縮上死点ＴＤＣ直前の点火時期Ｉにおいて点火が実施されると、強い乱れによって燃焼速度を早い良好な均質燃焼を実現することができる。吸気下死点ＢＤＣ前に燃料噴射が実施される場合には、吸気流出が発生する時には既に燃料噴射が終了しており、噴射燃料が流出吸気と共に気筒外へ流出することがあるが、本実施形態では、吸気弁を介して吸気流出が発生している時には、気筒内の排気弁側へ燃料が噴射されている最中であり、噴射燃料が流出吸気と共に気筒外へ流出する可能性は低い。

本実施形態のように、燃料噴射が圧縮行程とされていると、噴射終了時期Ｅから点火時期Ｉまでの時間が比較的短くなり、噴射燃料の気化時間にはそれほど余裕はない。こうして、機関回転数が高くなると、そのままでは、噴射終了時期Ｅから点火時期Ｉまでの時間がさらに短くなって燃料の気化時間が不足することがある。

それにより、吸気下死点ＢＤＣから吸気弁閉弁時期Ｔまでの間において、高回転時は低回転時に比較して、図２に点線で示すように、噴射開始時期を進角してＳ’とし、同じ燃料量を噴射するクランク角度範囲は増大するが、噴射終了時期Ｅ’も進角されるようして、噴射終了から点火時期Ｉまでの燃料気化時間を確保するようになっている。もちろん、同じ燃料噴射量に対して、機関回転数が高くなるほど噴射開始時期をより進角することが好ましい。しかしながら、噴射開始時期を吸気下死点ＢＤＣより前に進角することは好ましくない。また、燃料噴射量が多くなっても噴射開始時期は進角される。

また、燃料噴射弁１０が噴射率を二段階に制御可能なものであれば、図３の燃料噴射弁１０の弁体リフト量のタイムチャートに点線で示すように、吸気下死点ＢＤＣから吸気弁閉弁時期Ｔまでの間において、高回転時は低回転時に比較して、噴射率を高くし、同じ燃料量を噴射するクランク角度範囲を小さくすることにより、噴射終了時期Ｅ”が進角されるようして、噴射終了から点火時期Ｉまでの燃料気化時間を確保するようにしても良い。このように、機関回転数が高まっているのに燃料噴射期間のクランク角度範囲を小さくするには、かなり噴射率を高める必要があるために、前述の噴射開始時期の進角を同時に実施するようにしても良い。

燃料噴射弁１０から噴射される燃料の噴射率を二段階に制御するために、例えば、燃料噴射弁１０の弁体のリフト量を二段階に制御する。図４は燃料噴射弁１０の先端部の断面図である。同図に示すように、燃料噴射弁１０は、軸線方向に延在する燃料通路１１が設けられ、燃料通路１１内には軸線方向に移動可能な弁体１２が配置されている。弁体１２のシール部に当接する燃料通路１１のシート部１３より下流側には燃料溜１４が形成されている。噴孔１５は燃料溜１４に連通するように形成される。

このように構成された燃料噴射弁１０において、弁体１２をリフトさせて弁体１２のシール部と燃料通路１１のシート部１３とを離間させると、燃料通路１１内の高圧燃料が燃料溜１４内へ供給され、燃料溜１４内の燃料圧力が気筒内より高圧となれば、燃料溜１４内の燃料が噴孔１５を介して噴射される。一方、弁体１２のシール部を燃料通路１１のシート部１３に当接させると、燃料通路１１内の高圧燃料が燃料溜１４内へ供給されなくなって燃料溜１４内の燃料圧力は低下し、気筒内より低圧となれば、噴孔１５を介しての燃料噴射は停止する。

燃料噴射弁１０は、弁体１２のリフト量を少なくとも二段階に可変とする構造が設けられている。図５は、この構造を概略的に示す図である。図５（Ａ）に示す構造では、弁体１２は、燃料噴射弁本体１６との間に配置された閉弁バネ１７により閉弁方向に付勢されていると共に、燃料噴射弁本体１６との間には圧電歪アクチュエータ（ピエゾアクチュエータ）１８が配置され、圧電歪アクチュエータの伸長が弁体１２を開弁させるようになっている。それにより、圧電歪アクチュエータへ印加する電圧を二段階に制御して伸長量を二段階に変化させることにより、弁体１２のリフト量を大小二段階に制御することができる。

一方、図５（Ｂ）に示す構造では、弁体１２は、燃料噴射弁本体１６との間に配置された閉弁バネ１７により閉弁方向に付勢されていると共に、燃料噴射弁本体１６には、弁体１２の基部に対向する電磁アクチュエータ（ソレノイドアクチュエータ）１９が設けられ、電磁アクチュエータの電磁吸引力が弁体１２の開弁方向に作用するようになっている。それにより、電磁アクチュエータへ印加する電圧を二段階に制御して、弁体１２に作用する電磁吸引力を二段階に変化させることにより、弁体１２のリフト量を大小二段階に制御することができる。

本実施形態の制御装置は、このような構造を有する燃料噴射弁１０の弁体１２のリフト量を制御し、設定回転数より高い高回転時には弁体１２を大リフト量で開弁させ、設定回転数より低い低回転時には弁体１２を小リフト量で開弁させている。弁体１２のリフト量を小さくすると、弁体１２のリフト時におけるシート部１３との間の隙間が小さくなるために、この隙間での圧損が大きくなって燃料溜１４内から噴射される燃料圧力は低くなる。それにより、弁体１２を小リフト量で開弁すれば、噴孔１５から噴射される燃料の噴射率を小さくすることができ、弁体１２を大リフト量で開弁すれば、噴孔１５から噴射される燃料の噴射率を大きくすることができる。

燃料噴射弁１０の前述の構成では、圧電歪アクチュエータ１８又は電磁アクチュエータ１９への印加する電圧を多段階に制御すれば、弁体１２のリフト量も多段階に制御することができる。それにより、機関回転数が高いほど、噴射燃料の噴射率をより高めるようにしても良い。ここで、低回転時の最小噴射率の場合でも、噴射燃料Ｆの貫徹力は、燃料噴射開始から１ｍｓ後の燃料先端が６０ｍｍ以上に達するようにしてタンブル流Ｔを強めるようにしなければならない。もし、機関回転数に係わらずに常に噴射率を高くして燃料噴射を実施すると、低回転低負荷時のような少量の燃料を正確に噴射することができなくなる。

図６は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関のもう一つの実施形態を示す概略縦断面図である。図１の実施形態との違いについてのみ以下に説明する。本実施形態では、燃料噴射弁１０’は、気筒上部周囲の吸気弁３ａ側に配置されている。本実施形態では、一対の吸気弁３ａが設けられており、この場合には、燃料噴射弁１０’は、気筒上部周囲において二つの吸気弁３ａの間に配置することが好ましい。点火プラグ２０’は、気筒上部略中心に配置されている。

このように配置された燃料噴射弁１０’は、図６に示すように、燃料Ｆ’を略水平方向にシリンダボアの排気弁側上部へ向けて噴射する。燃料噴射弁１０から噴射される燃料Ｆ’の貫徹力は、前述同様に、燃料噴射開始から１ｍｓ後の燃料先端が６０ｍｍ以上に達するように設定される。こうして、このように強い貫徹力の燃料Ｆ’が気筒上部周囲の吸気弁側からシリンダボアの排気弁側上部へ向けて略水平方向に噴射されると、タンブル流Ｔを燃料の貫徹力により強めることができる。

本実施形態においても、前述の実施形態と同様に、燃料噴射は、吸気下死点ＢＤＣから吸気弁閉弁までの間において、吸気弁３ａを介しての吸気流出によりタンブル流Ｔが加速される時に実施される。しかしながら、本実施形態の構成では、燃料噴射弁１０’から噴射される燃料Ｆ’は、そのままでは開弁中の吸気弁３ａに衝突し易い。もし、噴射燃料Ｆ’が吸気弁３ａに衝突すれば、タンブル流Ｔを良好に強めることができない。

それにより、本実施形態では、図７に示すような吸気弁のリフト量が実現されるように吸気弁用カムのプロフィールが設定されている。アトキンソンサイクル運転では、吸気上死点ＴＤＣ前の開弁時期Ｋから吸気弁３ａを開弁し始めて、例えば、吸気下死点後９０クランク角度の閉弁時期Ｔにおいて吸気弁３ａを閉弁させる。このような吸気弁３ａの開弁に際して、本実施形態では、吸気弁３ａの最大リフト量が吸気行程中期以前に実現されるように、吸気弁３ａの開弁速度が閉弁速度より速くなるようにしている。すなわち、吸気弁３ａの開弁から最大リフト量となるまでの時間より最大リフト量から閉弁までの時間が長くなるようにされる。

こうして、吸気下死点ＢＤＣから吸気弁閉弁までの間は、吸気弁３ａのリフト量が小さくされ、この間において噴射される燃料Ｆ’は、開弁中の吸気弁３ａに衝突することなく良好にタンブル流Ｔを強めることができる。

本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図である。 燃料噴射弁の弁体のリフト量を示すタイムチャートである。 燃料噴射弁の弁体のリフト量を示すもう一つのタイムチャートである。 燃料噴射弁の先端部の概略断面図である。 燃料噴射弁の弁体のリフト量を可変とする構造を示す概略図である。 本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関のもう一つの実施形態を示す概略縦断面図である。 吸気弁のリフト量示すタイムチャートである。

符号の説明

１０，１０’ 燃料噴射弁
２０，２０’ 点火プラグ
３０ 吸気ポート
４０ 排気ポート
５０ ピストン
Ｔ タンブル流
Ｆ，Ｆ’ 噴射燃料

Claims (5)

1. 気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、吸気弁の閉弁時期を遅くしたアトキンソンサイクル運転を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁により吸気下死点から吸気弁閉弁までの間において噴射される燃料によって気筒内のタンブル流を強めることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
2. 前記燃料噴射弁は、吸気下死点から吸気弁閉弁までの間において、高回転数時には低回転時に比較して進角して燃料を噴射す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. 前記燃料噴射弁は、吸気下死点から吸気弁閉弁までの間において、高回転数時には低回転時に比較して噴射率を高くして燃料を噴射することを特徴とする請求項１又２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
4. 前記燃料噴射弁は、気筒上部周囲の吸気弁側に配置され、シリンダボアの排気弁側上部へ向けて燃料を噴射す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。
5. 吸気弁用のカムプロフィールは、開弁速度を閉弁速度より速くするようにされていることを特徴とする請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。

Images