JP2008151020A - 段差を備えたピストンを有した筒内噴射エンジンと制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、ピストンに深いキャビティを設けること無く点火リタード時の燃焼の安定化を図り、またピストンの熱損失の低減による効率向上を可能とする筒内噴射エンジンを提供する。
【解決手段】
燃料噴射弁は、燃料噴射弁から点火プラグ下部に指向する上側噴霧孔と、燃料噴射弁からピストンへ指向し、且つ点火プラグ中心軸と上側噴霧孔と略同一面上にある中心噴霧孔とを備え、ピストン冠面の点火プラグ下の位置に、吸気側が低く、排気側が高くなっている第一の段差と、低くなった吸気側のピストン面の側方にシリンダ外周側が高くなる第二の段差を設け、第一の段差と第二の段差とはともにピストン冠面の直径の１から５％の高さであり、圧縮行程上死点前４０度に燃料を噴射した時に、上側噴霧孔から噴射された燃料噴霧が、点火プラグ下の段差と側方の段差に囲まれた範囲に衝突することを特徴とする筒内噴射エンジン。
【選択図】図７

Description

本発明は、段差を備えたピストンを有する筒内噴射エンジンとその制御装置に関する。

冷機始動時のファストアイドルにおいて、点火時期を遅らせた場合に安定して燃焼させるためにピストン冠面に深いキャビティを設け、そのキャビティで混合気を保持することを特徴とする特開２００６−１７７２７４号公報の技術がある。

特開２００６−１７７２７４号公報

点火リタード燃焼において混合気を保持するために深いキャビティを設けると、混合気をキャビティ内に成層化させた場合、キャビティ内に非常に高い濃度の混合気が形成され、すすが生成されやすくなる問題がある。また均質運転条件においてピストンの表面積が大きくなり熱損失が増加するほか、キャビティ部で空気流動に剥離が生じ筒内に生成される流動が弱くなり、混合気が不均一になる問題がある。

そこで本発明は、ピストンに深いキャビティを設けること無く点火リタード時の燃焼の安定化を図り、またピストンの熱損失の低減による効率向上を可能とする筒内噴射エンジンを提供する。

シリンダの吸気側で筒内に直接噴射可能な位置に複数の噴孔を有した燃料噴射弁を設けた筒内噴射エンジンにおいて、燃料噴射弁は、燃料噴射弁から点火プラグ下部に指向する上側噴霧孔と、燃料噴射弁からピストンへ指向し、且つ点火プラグ中心軸と上側噴霧孔と略同一面上にある中心噴霧孔とを備え、ピストン冠面の点火プラグ下の位置に、吸気側が低く、排気側が高くなっている第一の段差と、低くなった吸気側のピストン面の側方にシリンダ外周側が高くなる第二の段差を設け、第一の段差と第二の段差とはともにピストン冠面の直径の１から５％の高さであり、圧縮行程上死点前４０度に燃料を噴射した時に、上側噴霧孔から噴射された燃料噴霧が、点火プラグ下の段差と側方の段差に囲まれた範囲に衝突することを特徴とする筒内噴射エンジン。

冷機始動時において、噴霧によって生成される空気流動をピストンに設けた段差及び側壁によって渦流にし、この渦によって混合気を段差部分で停滞させることにより、混合気の拡散を抑え、安定した燃焼を得ることができる。また、段差の高さを２mm以下にすることによりすすの発生を抑制し、且つ均質条件でのタンブル流動の減衰及び冷却損失を抑えることができる。

第一の実施例における筒内噴射エンジンの構成を図１に示す。

シリンダヘッド１とシリンダブロック２、そしてシリンダブロック２に挿入されたピストン３により燃焼室が形成され、燃焼室の中心上部に点火プラグ４が設けられている。燃焼室に吸気管５と排気管６がそれぞれ開口しており、開口部を開閉する吸気弁７と排気弁８が設けられている。燃焼室の吸気側には燃焼室に直接燃料が噴射できるように燃料噴射弁９が設けられる。燃料噴射弁９の設置される角度はシリンダ水平面に対し３６度となっている。

ピストン３は図２に示す形状をしており、図の左側が吸気側である。曲面１０と平面
１１で構成される段差１２が点火プラグ４のほぼ真下に設けられている。また、段差１２の側面には曲面で形成された側壁１３が設けられている。曲面１０及び側壁１３の曲率はＲ１５としている。ピストン３表面から段差１２までの距離は２mmとなっている。この値は、点火プラグ４の略真下に、ピストン３の直径の１〜５％の段差を有する比較的浅いキャビティ部を設けることにより、キャビティ部での空気流動に剥離が生じるのを防ぎ、混合気を均一にできる。

側壁１３の幅は、図１３に示すように上死点前４０度に燃料を噴射した時に燃料噴霧がピストン３に衝突したときに、その幅よりも長くなっている。また側壁１３の長さは、側壁１３の端部がピストン３に衝突する燃料噴霧の半分が衝突する位置よりも吸気側にある。

燃料噴射弁９の噴霧形状を図３，図４に示す。燃料噴射弁９のノズル部を拡大したものを図５に示す。図３は燃料噴射弁９に対し横から観察した時の噴霧形状を表している。燃料圧力は１１ＭＰａ、雰囲気圧力は大気圧の条件である。図４は噴孔から３０mm下のＡＡ断面において燃料噴射から１ｍｓ後の噴霧形状を表している。

燃料噴射弁９の先端には円周上に噴孔１４が設けられており、噴孔１４ａから上側噴霧１５ａが、噴孔１４ｄからは中心噴霧１５ｄが、噴孔１４ｂ，１４ｃ，１４ｅ，１４ｆからは側方噴霧１５ｂ，１５ｃ，１５ｅ，１５ｆが夫々形成される。燃料噴射弁９の中心軸に対し上側噴霧１５ａは３６度の角度で噴射するような孔となっている。また、上側噴霧１５ａと中心噴霧１５ｄは燃料噴射弁９の中心軸に対し同一面に位置するよう噴孔を設定している。燃料噴射弁９は上側噴霧１５ａが点火プラグ４に指向するように設置されている。燃料噴射弁９の取り付け角度は上述のように３６度となっており、上側噴霧１５ａは図１で見た場合、噴霧点から真横に進むことになる。

ここで、図３のような噴霧形状を確認するための方法を以下に記述する。噴射する燃料は実際にエンジン内で噴射するガソリンが望ましいが、ガソリンと性状が同じ流体を用いても良い。この燃料の圧力を１１ＭＰａまで昇圧し、雰囲気圧力が大気圧の容器内に噴射する。この容器には厚さが５mm程度のシート光を入射できる窓と高速度カメラにより噴霧を撮影できる窓を設けておく必要がある。燃料噴射から終了までの噴射パルスは１ｍｓとし、燃料噴射弁に駆動パルス信号を与え、燃料を噴射する。そして、駆動パルス信号に同期して、噴射から１ｍｓ後の噴霧の写真を撮影するようにすればよい。なお光源は噴霧形状が分かるものであれば何でもよい。

図６はエンジン全体の概略を示す。ピストン３はコンロッド１６を介してクランク軸
１７と連結されており、クランク軸１７にはクランク角度とエンジン回転数を検出可能なクランク角センサ１８が設置されている。シリンダブロック２には冷却水の温度を検出する水温センサ１９が設置されている。アクセルペダル２０には運転者の踏み込み量を検出するアクセル開度センサ２１を備えている。吸気管５には吸入する空気量を調節可能な絞り弁２２が設けられており、その上流には吸入する空気量を検出可能なエアフローセンサ（図示しない）が設けられている。排気管６には三元触媒２３を備えており、その上流側には空燃比センサ２４を、下流にはＯ₂ センサ２５が設けられている。燃料噴射弁９には高燃圧用の燃料配管２６によって燃料タンク２７内に設置された低圧ポンプ２８が接続されており、燃料配管２４の途中には燃料を更に昇圧する高圧ポンプ２９と燃料圧力を検出可能な燃料圧力センサ３０が設置されている。

電子制御装置（ＥＣＵ）３１は、設定されたプログラムに従って演算処理を実行する中央処理装置（ＣＰＵ）３２，制御プログラムや演算に必要なデータを記憶しているリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）３３，演算結果を一時的に格納するためのランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）３４と、各センサからの信号を受信する入力回路３５，演算結果から各装置に信号を送信する出力回路３６で構成されている。

次に第一の実施例の動作について図７から図１０により説明する。まず，エンジンがキーオンされると、ＲＯＭ３３に記録されたプログラムに従い、まず水温センサ１９からの信号が入力回路３５を介しＣＰＵ３２に送られる。水温が８０℃以上の場合は既に暖気済みと判断され、ＲＯＭ３３に記録された一般的な条件によって始動される。

水温が８０℃未満の場合、冷機始動モードに設定され、予めＲＯＭ３３に記録されたパルス幅に従って燃料が噴射される。また噴射時期，点火時期もＲＯＭ３３に記録された数値に設定され、スタータにより始動される。

クランク角センサ１８の信号が入力回路３５を介しＣＰＵ３２に送られる。回転数が
１０００ｒ／min 未満の場合はクランキング条件と判定され、上述したようにＲＯＭ３３に記録されたパルス幅，噴射時期，点火時期に従って動作する。

回転数が１０００ｒ／min 以上になるとファストアイドル条件と判定される。

ファストアイドルでは排気温度を高くするため、点火時期が上死点後３０度となるようにＲＯＭ３３に設定されている。燃料噴射回数は２回に設定され、１回目の噴射時期が上死点前３０度、２回目の噴射時期を上死点後２８度に設定される。燃料噴射量は、上述の噴射時期，点火時期においてＩＭＥＰ（図示平均有効圧）が１.５barとなるように予め
ＲＯＭ３３に記録されている。また、１回目と２回目の燃料噴射量の割合が６：４になるように燃料噴射量が決定される。燃料噴射量に対し空燃比が１６となるようにスロットル２２が制御される。なお、点火時期を遅らせているためＩＭＥＰを１.５barにするためには多くの燃料噴射量が必要となる。空燃比を１６にするためにスロットルはほぼ全開状態となる。

燃料圧力センサ３０の信号が入力装置３５を介してＲＡＭ３４に送られる。ＲＯＭ３３には予め燃料圧力と燃料噴射量から噴射パルス幅を決定可能なマップデータが記録されており，そのマップデータに従って１回目と２回目のパルス幅が決定される。

ファストアイドル，エンジン回転数１４００ｒ／min での１回目の燃料噴射直後の燃焼室内の様子を図７に示す。なお、図７から図１０はすべて燃焼室中心断面の様子である。

上側噴霧１５ａは燃料噴射弁９のほぼ真横に噴口が向けられており、上側噴霧１５ａは点火プラグ４の下方へ進む。それに対し中心噴霧１５ｄ及び側方噴霧１５ｂ，１５ｃ，
１５ｅ，１５ｆは図１１に示すような位置に夫々の噴霧が衝突することとなる。

この時、燃料噴霧が動くことにより燃料液滴と空気との間に摩擦が生じ、上側噴霧15ａは吸気から排気側に向かう空気流動を、中心噴霧１５ｄはピストン３に向かう空気流動を形成する。このピストン３に向かう空気流動はピストン３に衝突後、ピストン表面を排気側に向かって流れる空気流動になり、図８に示すように燃焼室内には上側噴霧１５ａによって燃料噴射弁９から排気側に向かう空気流動Ａと、空気流動Ａに遅れてピストン３表面で排気側に向かう空気流動Ｂが形成される。

上死点前１０度での燃焼室内の混合気の様子を図９に示す。燃料噴射後はピストン圧縮により筒内の空気温度は高温になっており、燃料が気化しやすい状態となっている。上側噴霧１５ａは点火プラグ４の下側を通過しながら混合気を形成する。中心噴霧１５ｄはピストン３表面を滑りながら混合気を形成しつつ進んでいく。上側噴霧１５ａから気化した混合気Ｃが点火プラグ４の下側に、中心噴霧１５ｄから気化した混合気Ｄがピストン３表面に存在している。中心噴霧１５ｄはピストン３に衝突しているために空気流動Ｂは空気流動Ａに比べ弱い。そのため、空気流動Ａの後ろでは周囲より圧力が低くなり、中心噴霧１１ａから気化した混合気Ｃが空気流動Ａによって引き上げられる現象が発生する。

点火時期である上死点後３０度での混合気の様子を図１０に示す。中心噴霧１５ｄにより生成された空気流動はピストン３表面を沿って移動するが、ピストン３の中心部に設けた曲面１０により上昇流へと変わり、点火プラグ４の下で回転する渦となる。そのため、混合気Ｄは空気流動Ｂの流れにのって点火プラグ４回りに停滞することとなる。また、上側噴霧１５ａにより生成された空気流動Ａは空気流動Ｂの渦の影響を受け、空気流動Ｂとは反対に回転する渦となる。上側噴霧１５ａより気化した混合気Ｃは空気流動Ａの流れに乗り、点火プラグ４の右側に停滞することになる。

上死点後３０度のピストン３表面の空気流動を図１２に示す。ピストン３に側壁１３を設け、且つその幅を噴霧衝突位置より広くしているため、上述の曲面１０と同様に段差部分で渦が生じ、この渦によって側方噴霧の混合気が拡散せず段差に囲まれた位置で停滞することとなる。

このように点火プラグ４の下部に曲面１０を設けることにより点火プラグ４の下部で回転する空気流動Ｂと点火プラグ４の右で回転する空気流動Ａを生成することができ、混合気を点火プラグ４の周りに停滞させることが出来る。また、側壁１３を設けることにより側方噴霧の混合気も拡散させず停滞させることが出来る。それによって点火時期が上死点後の条件でも安定して着火及び燃焼させることができる。更に、段差の高さを２mmと小さくしているため混合気が過度に集中することなくすすの発生を抑制することが出来る。

次に第一の実施例における全開運転時の動作について図１４から図１６により説明する。

暖気後、アクセルペダル２０が踏み込まれるとアクセル開度センサ２１の信号が入力回路３５を経由してＣＰＵ３２に送られ開度が検出される。同様にクランク角センサ１９から信号がＲＡＭ３４に送られ、ＣＰＵ３２によって回転数が計算される。ＣＰＵ３２はアクセル開度とエンジン回転数に対し予めＲＯＭ３３に用意された回転数と負荷のマップデータから絞り弁２２の開度を決定する。そして出力回路３６から信号が絞り弁２２に送られ、目標開度になるよう制御される。

燃料噴射量は空燃比が１１〜１４前後になるよう設定される。燃料噴射時期は、ＲＯＭ３４に用意されたアクセル開度とエンジン回転数のマップデータにより決定される。本実施例ではエンジン回転数が２０００ｒ／min の全開条件で上死点後６０度に設定されている。図１４に燃料噴射直後のインジェクタから燃焼室内を横から観察した様子を示す。燃料噴射後、燃料は空気と混合し均一な混合気を形成する。筒内には図１５に示すように吸気によって生じるタンブル流Ｅが生成される。燃料噴霧はタンブル流Ｅの流れに乗ってまずピストン３近傍に集まるため、燃料から気化した混合気Ｆはピストン３近傍に形成される。全開運転条件では効率の良い燃焼のために均一な混合気を形成する必要があるが、ピストン３に設けた段差１２は、ピストン３のタンブル流Ｅに対し上流側である平面１１を高くしているため段差１２がタンブル流Ｅを阻害することはない。そのため、図１６に示すようにタンブル流Ｅによって混合気Ｆは燃焼室内に均一に拡散し、燃焼に理想的な均一混合気を形成しやすくなる。また、段差１２は２mm以下と浅くしているためピストン３表面積は平面なピストンと殆ど同じであり、冷却損失の小さい効率の良い燃焼が可能となる。

第二の実施例について説明する。本実施例で用いるピストン形状を図１７に示す。第一の実施例との差は、ピストン３の曲面１０の配置を、直線に沿ってではなく曲線にそって配置したことであり、第二の実施例はピストン形状のバリエーションを示したものである。ピストン３表面から段差１２までの距離は第一の実施例と同様に２mmとなっている。ピストン以外の形状は実施例一と同様である。作用及び効果は実施例一と同じであるため記述を省略する。

第三の実施例について説明する。本実施例で用いるピストン形状を図１８に示す。本実施例も第二の実施例と同様にピストン形状のバリエーションを示したもので、第一及び第二の実施例と異なりピストンフラット面に対し曲面１０が深くなるようにしたものである。ピストンフラット面から曲面１０の最も低い所までの深さは２mmとなっている。第三の実施例においても第一及び第二の実施例と同様に段差１２及び側壁１３を設けている。作用及び効果は実施例一と同じであるため記述を省略する。

第四の実施例について説明する。本実施例で用いるピストン形状を図１９に示す。本実施例もピストン形状のバリエーションを示したものである。上述の第一から第三の実施例と異なる点は、吸気側にも段差１２を設け、窪みに対して全周に曲面で構成された面を設けたことである。窪みの深さは２mmである。このような形状であっても第一の実施例と同様の効果を得ることが出来る。

次に第５の実施例について説明する。本実施例ではエンジン構成は第一の実施例と同じであり、異なる点は図２０〜図２２に示す燃料噴射弁を用いていることである。第一の実施例では６本の燃料を噴射していたが、本実施例では４本となっている。本特許における効果をえるためにはプラグ４の下部方向に向けた上側噴霧１５ａ，上側噴霧１５ａと点火プラグ４と同一面上にある中心噴霧１５ｄが必要であり、それ以外は自由方向を決定してもかまわない。このような噴霧形状においても実施例一〜実施例四のピストン形状と組み合わせることにより冷機始動時の燃焼を安定させ、すすの生成を抑制させることが出来る。

次に第六の実施例について説明する。本実施例ではエンジン構成は第一の実施例と同じであり、異なる点は図２３〜図２５に示す燃料噴射弁を用いていることである。第一の実施例と異なる点は、上側噴霧１５ａを形成する噴孔１４ａの直径を大きくし、上側噴霧
１５ａの流量を大きくしたことである。上側噴霧１５ａを多くすることにより燃焼室内に生成される空気流動Ａの勢いが増し、中心噴霧１５ｄから気化した混合気Ｄをより点火プラグ４方向へ上昇させやすくなりより燃焼が安定する効果を得られる。

次に第７の実施例について説明する。本実施例ではエンジン構成は第一の実施例と同じであり、異なる点は図２６〜図２８に示す燃料噴射弁を用いていることである。第一の実施例と異なる点は、上側噴霧及び中心噴霧を複数の噴霧で構成したことである。上側噴霧３８ａ，３８ｂ，３８ｆはそれぞれ噴孔３７ａ，３７ｂ，３７ｆによって生成され、中心噴霧３８ｃ，３８ｄ，３８ｅはそれぞれ噴孔３７ｃ，３７ｄ，３７ｅによって生成される。本実施例でも第一の実施例と同様の効果を得ることができ、上側噴霧及び下側噴霧がそれぞれ複数の噴霧で構成されても冷機始動時における燃焼安定性の向上、及びすすの抑制を抑えることができる。

実施例１における構成を示す。 実施例１におけるピストン形状を示す。 実施例１における噴霧外観形状を示す。 実施例１における噴霧の水平断面形状を示す。 実施例１における燃料噴射弁のノズル部を示す。 本発明におけるエンジン全体図を示す。 実施例１における燃料噴射直後の様子を示す。 実施例１における空気流動の概要を示す。 実施例１における燃焼室内の混合気の様子を示す。 実施例１における点火時期での様子を示す。 実施例１における噴霧のピストンへの衝突位置を示す。 実施例１における噴霧によって生じる空気流動を示す。 実施例１における噴霧衝突位置とピストン形状の関係を示す。 実施例１における均質条件での燃料噴射直後の様子を示す。 実施例１における均質条件での混合気の様子を示す。 実施例１における均質条件での圧縮行程の様子を示す。 実施例２におけるピストン形状を示す。 実施例３におけるピストン形状を示す。 実施例４におけるピストン形状を示す。 実施例５における噴霧外観形状を示す。 実施例５における噴霧の水平断面形状を示す。 実施例５における燃料噴射弁のノズル部を示す。 実施例６における噴霧外観形状を示す。 実施例６における噴霧の水平断面形状を示す。 実施例６における燃料噴射弁のノズル部を示す。 実施例７における噴霧外観形状を示す。 実施例７における噴霧の水平断面形状を示す。 実施例７における燃料噴射弁のノズル部を示す。

符号の説明

３ ピストン
４ 点火プラグ
９ 燃料噴射弁
１０ 曲面
１２ 段差
１３ 側壁
１５ａ 上側噴霧
１５ｂ，１５ｃ，１５ｅ，１５ｆ 側方噴霧
１５ｄ 中心噴霧

Claims (3)

1. シリンダの吸気側で筒内に直接噴射可能な位置に複数の噴孔を有した燃料噴射弁を設けた筒内噴射エンジンにおいて、
   前記燃料噴射弁は、
   燃料噴射弁から点火プラグ下部に指向する上側噴霧孔と、
   燃料噴射弁からピストンへ指向し、且つ点火プラグ中心軸と前記上側噴霧孔と略同一面上にある中心噴霧孔とを備え、
   ピストン冠面の点火プラグ下の位置に、吸気側が低く、排気側が高くなっている第１の段差と、低くなった吸気側のピストン面の側方にシリンダ外周側が高くなる第２の段差を設け、
   前記第一の段差と前記第２の段差とはともに前記ピストン冠面の直径の１から５％の高さであり、
   圧縮行程上死点前４０度に燃料を噴射した時に、前記上側噴霧孔から噴射された燃料噴霧が、点火プラグ下の段差と側方の段差に囲まれた範囲に衝突することを特徴とする筒内噴射エンジン。
2. 点火プラグ下の段差の稜線が直線で構成されることを特徴とする請求項１記載の筒内噴射エンジン。
3. 点火プラグ下の段差の稜線が曲線で構成されることを特徴とする請求項１記載の筒内噴射エンジン。

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