JP2008223677A - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気行程で形成された気筒内を斜めに旋回する気流を利用して点火時期において気筒内に乱れを発生させ、燃焼速度の速い良好な均質燃焼を実現可能とする。
【解決手段】第一気筒中心縦平面Ｐ１と第一気筒中心縦平面に垂直な第二気筒中心縦平面Ｐ２とにより機関全体が第一領域Ａ１、第二領域Ａ２、第三領域Ａ３、及び、第四領域Ａ４に四分割される場合に、吸気弁１の中心が第一領域の気筒上部に位置し、吸気弁を介して気筒内へ通じる吸気ポート３が、第一気筒中心縦平面と略平行に吸気弁から外側へ斜め上方向に延在する吸気一弁式の筒内噴射式内燃機関において、気筒内へ燃料を噴射するための燃料噴射弁５は、第二領域の気筒上部に配置され、燃料噴射弁から吸気下死点近傍において噴射される燃料の貫徹力を利用して、気筒内を第二領域から第三領域へ斜め下方向に移動する吸気流Ｓ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。

ハイブリッド車両用エンジンは、高回転運転を殆ど実施しないために、吸気弁を二弁とする必要がない。それにより、吸気弁及び排気弁を一弁式とするＳＯＨＣエンジンとしても十分な能力が得られる。このようなＳＯＨＣエンジンにおいては、一般的に、気筒列上を通る各気筒共通の一本のカムシャフトに対して、各気筒の吸気弁駆動機構及び排気弁駆動機構はカムシャフトの軸線方向にずれて互いに反対側に配置され、それにより、それぞれの駆動機構に対応して、各気筒の吸気弁及び排気弁のそれぞれの中心も、カムシャフトの軸線に対して互いに反対側において軸線方向にずれて配置される。

こうして、吸気弁は気筒上部周囲に位置し、吸気弁を介して気筒内へ通じる吸気ポートは、各気筒において、カムシャフトの軸線と垂直な気筒中心縦平面と略平行に吸気弁から外側へ斜め上方向に延在し、排気弁を介して気筒内へ通じる排気ポートは、各気筒において、カムシャフトの軸線と垂直な気筒中心縦平面と略平行に排気弁から外側へ斜め上方向に延在している。それにより、吸気ポートから気筒内へ供給される吸気は、気筒内においてカムシャフトの軸線より排気弁側を下降して吸気弁側を上昇するように縦方向に旋回しようとすると同時に、シリンダボアに沿って横方向にも旋回しようとするために、結果として、気筒内を斜めに旋回する気流となる（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−３１７４８２ 特開平９−１５１７３７ 特開２００４−５２５５１

このように、第一気筒中心縦平面と前記第一気筒中心縦平面に垂直な第二気筒中心縦平面とにより機関全体が第一領域、第二領域、第三領域、及び第四領域に四分割される場合に、吸気弁の中心が第一領域の気筒上部に位置し、前記吸気弁を介して気筒内へ通じる吸気ポートが、第一気筒中心縦平面と略平行に前記吸気弁から外側へ斜め上方向に延在する吸気一弁式の内燃機関においては、前述のように気筒内を斜めに旋回する気流が形成されるが、この気流はそれほど強いものではなく、減衰により消滅し易いために、圧縮行程後半まで持続させて点火時期における気筒内の乱れに利用することは難しい。

従って、本発明の目的は、前述のような吸気一弁式の筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気行程で形成された気筒内を斜めに旋回する気流を利用して圧縮行程末期の点火時期において気筒内に乱れを発生させ、それにより、燃焼速度の速い良好な均質燃焼を実現可能とすることである。

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、第一気筒中心縦平面と前記第一気筒中心縦平面に垂直な第二気筒中心縦平面とにより機関全体が第一領域、前記第二気筒中心縦平面に対して前記第一領域に対向する第二領域、前記第一気筒中心縦平面に対して前記第二領域に対向する第三領域、及び、前記第二気筒中心縦平面に対して前記第三領域に対向する第四領域に四分割される場合に、吸気弁の中心が前記第一領域の気筒上部に位置し、前記吸気弁を介して気筒内へ通じる吸気ポートが、前記第一気筒中心縦平面と略平行に前記吸気弁から外側へ斜め上方向に延在する吸気一弁式の筒内噴射式内燃機関において、気筒内へ燃料を噴射するための燃料噴射弁は、前記第二領域の気筒上部に配置され、前記燃料噴射弁から吸気下死点近傍において噴射される燃料の貫徹力を利用して、気筒内を前記第二領域から前記第三領域へ斜め下方向に移動する吸気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、点火プラグは、前記第四領域の気筒上部に配置され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に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記筒内噴射式火花点火内燃機関は、ＳＯＨＣ型であり、吸気弁の閉弁時期を吸気下死点より遅らせて圧縮仕事を低減するアトキンソンサイクル運転を実施し、カムシャフトの位相の変化を可能とする可変バルブタイミング機構が設けられ、前記可変バルブタイミング機構によって、低負荷時には、高負荷時に比較して吸気弁の閉弁時期を遅角させることを特徴とする。

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、第一気筒中心縦平面と第一気筒中心縦平面に垂直な第二気筒中心縦平面とにより機関全体が第一領域、第二気筒中心縦平面に対して第一領域に対向する第二領域、第一気筒中心縦平面に対して第二領域に対向する第三領域、及び、第二気筒中心縦平面に対して第三領域に対向する第四領域に四分割される場合に、吸気弁の中心が第一領域の気筒上部に位置し、吸気弁を介して気筒内へ通じる吸気ポートが、第一気筒中心縦平面と略平行に吸気弁から外側へ斜め上方向に延在する吸気一弁式の筒内噴射式内燃機関を前提としており、このような筒内噴射式内燃機関では、吸気ポートから気筒内へ供給される吸気は、気筒内において第二気筒中心縦平面より反吸気弁側を下降して吸気弁側を上昇するように縦旋回しようとすると共に、気筒内において第一領域から第二領域、第三領域、第四領域を順次通るように横旋回しようとし、結果として、第一領域及び第二領域において高い位置を第三領域及び第四領域において低い位置を通るように気筒内を斜めに旋回することとなる。

気筒内へ燃料を噴射するための燃料噴射弁は第二領域の気筒上部に配置されているために、気筒上部の燃料噴射弁から吸気下死点近傍において気筒内へ噴射される燃料により、第二領域から第三領域へ斜めに下降する気流をその貫徹力を利用して強めることができ、圧縮行程後半まで斜め旋回流を持続させてピストンにより押し潰すことにより、圧縮行程末期の点火時期において気筒内に乱れを発生させて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、点火プラグは、第四領域の気筒上部に配置されるようになっており、それにより、気筒内で最も高温度となる点火プラグ近傍と燃料噴射弁とは比較的大きく離間され、燃料噴射弁の噴孔回りのデポジットの生成を抑制することができる。

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に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、筒内噴射式火花点火内燃機関は、吸気弁及び排気弁が単一のカムシャフトにより駆動されるＳＯＨＣ型であり、吸気弁の閉弁時期を吸気下死点より遅らせて圧縮仕事を低減するアトキンソンサイクル運転が実施される。カムシャフトの位相の変化を可能とする可変バルブタイミング機構が設けられ、可変バルブタイミング機構によって低負荷時に吸入空気量を減少させる時には、高負荷時に比較して吸気弁の閉弁時期を遅角させるようになっている。これと同時に、排気弁の開弁時期も高負荷時に比較して遅角されるようになるが、低負荷時であり気筒内の排気ガス量は少ないために、排気効率を悪化させることなく熱効率を高めることができる。

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平面図であり、図２は図１のＱ−Ｑ断面図であり、図３は図２のＲ−Ｒ断面図である。本筒内噴射式火花点火内燃機関は、例えば、ハイブリッド車両に搭載されるものであり、電動機のアシストがあるために高回転運転を殆ど必要とせず、吸気弁１は一弁とされている。また、本筒内噴射式火花点火内燃機関は、排気弁２も一弁とされ、吸気弁１及び排気弁２を単一のカムシャフト（図示せず）により駆動するＳＯＨＣ型とされる。

ＳＯＨＣ型内燃機関においては、単一のカムシャフトに接続される動弁機構の配置のために、吸気弁１及び排気弁２は、互いにカムシャフトの反対側に位置するようにされると共にカムシャフトの軸線方向にずらして配置される。それにより、本実施形態においては、図１に示すように、第一気筒中心縦平面Ｐ１と第一気筒中心縦平面Ｐ１に垂直な第二気筒中心縦平面Ｐ２とにより機関全体を第一領域Ａ１、第二気筒中心縦平面Ｐ２に対して第一領域Ａ１に対向する第二領域Ａ２、第一気筒中心縦平面Ｐ１に対して第二領域Ａ２に対向する第三領域Ａ３、及び、第二気筒中心縦平面Ｐ２に対して第三領域Ａ３に対向する第四領域Ａ４に四分割して考えた場合において、吸気弁１の中心ＣＩが第一領域Ａ１の気筒上部に位置し、吸気弁１を介して気筒内へ通じる吸気ポート３が、第一気筒中心縦平面Ｐ１と略平行に吸気弁１から外側へ斜め上方向に延在するようにされる。

また、前述の第四領域Ａ４を吸気弁の中心が位置する第一領域としても良い。この場合には、前述の第三領域Ａ３が第二領域となり、前述の第二領域Ａ２が第三領域となり、前述の第一領域Ａ１が第四領域となる。

図１に戻り、このような筒内噴射式内燃機関において、吸気ポート３から気筒内へ供給される吸気は、図２に示すように、気筒内において第二気筒中心縦平面Ｐ２より反吸気弁側（第二領域Ａ２及び第三領域Ａ３）を下降して吸気弁側（第一領域Ａ１及び第二領域Ａ４）を上昇するように縦旋回しようとすると共に、気筒内において第一領域Ａ１から第二領域Ａ２、第三領域Ａ３、第四領域Ａ４を順次通るように横旋回しようとし、結果として、第一領域及Ａ１及び第二領域Ａ２において高い位置を第三領域Ａ３及び第四領域Ａ４において低い位置を通るように気筒内を斜めに旋回する気流Ｓが形成される。

このように吸気行程において気筒内に形成された気流Ｓはそれほど強いものではなく、そのままでは、圧縮行程前半には、減衰により消滅してしまう。本実施形態では、この気流を圧縮行程後半まで持続させ、ピストン７により押し潰すことにより気筒内に乱れを発生させ、圧縮行程末期の点火時期において燃焼速度の速い良好な均質燃焼を実現することを意図している。

ところで、気筒内を縦方向にだけ旋回するタンブル流は、圧縮行程後半となると直ぐにピストン７により潰され、気筒内において発生させた乱れが圧縮行程末期の点火時期まで持続しないことがある。また、気筒内を横方向に旋回するスワール流は、圧縮行程末期の点火時期においても潰されずに持続して気筒内に乱れを発生させることができないことがある。これらに対して、気筒内を斜めに旋回する気流Ｓは、タンブル流とスワール流との中間的な存在であり、圧縮行程後半まで持続させることができれば、ピストン７により点火時期直前で潰されて点火時期において気筒内に強い乱れを発生させることができる。

本実施形態において、気筒内へ燃料を噴射するための燃料噴射弁５は第二領域Ａ２の気筒上部に配置され、図１から図３に示すように、気筒上部の燃料噴射弁５から吸気下死点近傍（吸気下死点で燃料噴射が終了することが好ましい）において気筒内へ噴射される燃料Ｆにより、第二領域Ａ２から第三領域Ａ３へ斜めに下降する気流Ｓをその貫徹力を利用して強めるようになっている。こうして、圧縮行程後半まで斜め旋回流Ｓを持続させることが可能となる。

燃料噴射弁５は、図３に示すように、燃料Ｆを第二領域Ａ２から第三領域Ａ３へ斜め下方向に向けて斜めに下降する気流Ｓ内に噴射する。燃料噴射弁５から噴射される燃料Ｆの貫徹力は、気流Ｓを十分に強めることができるように、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。また、燃料噴霧Ｆの中心は、吸気下死点のピストン７周囲、シリンダボア最下部、又は、ピストン７とシリンダボアとの境界へ向けられる。

燃料噴射弁５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、図１から３に示すように、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。扇形状の燃料噴霧Ｆは、図１から３に示すように、厚さ方向を水平方向（気筒軸線に対して垂直な平面上の方向）とすることが好ましく、幅方向を水平方向とすると、幅方向の広がりによってシリンダボアに噴射燃料が付着し易くなる。

また、直線又は曲線上に配列された複数の丸噴孔から噴射される複数の方向の柱状燃料噴霧としても良い。この場合においては、複数の柱状燃料噴霧の噴射方向は、各燃料噴霧が斜めに下降する気流Ｓ内を進行するように選択して、各燃料噴霧により気流Ｓを強めるようにすることが好ましい。また、各柱状燃料噴霧は、高い位置でシリンダボアに衝突しないようにすることが好ましい。

本実施形態において、排気弁２の中心ＣＥは、第三領域Ａ３の気筒上部に位置し、排気弁２を介して気筒内へ通じる排気ポート４が、第一気筒中心縦平面Ｐ１と略平行に排気弁２から外側へ斜め上方向に延在するようにされる。しかしながら、この構成は本発明を限定するものではなく、例えば、カムシャフトによる排気弁の駆動が可能であれば、排気弁２の中心ＣＥは第二領域Ａ２の気筒上部に配置されても良い。

また、点火プラグ６は、気筒上部中心近傍に配置されても良いが、図１に示すように、第四領域Ａ４の気筒上部に配置されることが好ましい。気筒内において、点火プラグ６近傍が最も高温度となる。それにより、点火プラグ６を第四領域Ａ４の気筒上部に配置して燃料噴射弁５から十分に離間させることにより、燃料噴射弁５の噴孔近傍が高温度となってデポジットが生成されることを抑制することができる。

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１の閉弁時期を、例えば、吸気下死点後４５クランク角度以降とすることにより、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１が遅閉じされる場合には、吸気下死点から吸気弁１の閉弁までの間において、吸気弁１を介して吸気の一部が吸気ポート３へ流出するために、圧縮仕事を低減することができる。このようなアトキンソンサイクル運転においては、圧縮時の筒内温度が十分に高められずに燃焼が緩慢となり易いために、前述のように、点火時期において気筒内に強い乱れを発生させて燃焼速度を速めることは特に好ましい。

本筒内噴射式火花点火内燃機関において、各気筒共通のカムシャフトには、位相を少なくとも二段階に可変とする可変バルブタイミング機構（図示せず）が設けられている。それにより、可変バルブタイミング機構によって、低負荷時には、高負荷時に比較して、吸気弁１の閉弁時期を遅角させて吸気量を減少させれば、低負荷時にスロットル弁（図示せず）を大きく絞る必要がなくなるために、ポンピング損失を低減することができる。

図４は、高負荷時及び低負荷時における吸気弁１及び排気弁２の開弁時期及び閉弁時期を示している。同図において、ＨＯＩ（ほぼ吸気上死点）及びＨＣＩは高負荷時における吸気弁１の開弁時期及び閉弁時期を示している。前述したように、低負荷時には、可変バルブタイミング機構によっており、吸気弁１の閉弁時期をＨＣＩからＬＣＩへ遅角し、それに伴って、低負荷時の吸気弁の開弁時期も、ＨＯＩからＬＯＩへ遅角される。

ＳＯＨＣ型内燃機関の場合には、こうして吸気弁１の開弁時期及び閉弁時期を遅角させると、同時に、排気弁２の開弁時期及び閉弁時期も遅角されてしまう。すなわち、膨張行程後半の高負荷時の排気弁２の開弁時期ＨＯＥは、膨張行程後半の低負荷の開弁時期ＬＯＥへ遅角される。

このように低負荷時の排気弁２の開弁時期が遅角されても、低負荷時には気筒内の排気ガス量が少ないために排気効率が悪化することはなく、反って熱効率を高めることができる。これに対して、もし、吸気弁１の閉弁時期を、例えば、吸気下死点前４５クランク角度以前とすることにより、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サイクル運転が実施される場合には、低負荷時に吸気量を減少させるには、吸気弁の閉弁時期を進角させることとなり、それにより、低負荷時の排気弁の開弁時期も進角されると、低負荷時の熱効率が悪化してしまう。

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平面図である。 図１のＱ−Ｑ断面図である。 図２のＲ−Ｒ断面図である。 吸気弁及び排気弁の開弁時期及び閉弁時期を示す図である。

符号の説明

１ 吸気弁
２ 排気弁
３ 吸気ポート
４ 排気ポート
５ 燃料噴射弁
６ 点火プラグ
Ｓ 気流
Ｆ 噴射燃料

Claims (3)

1. 第一気筒中心縦平面と前記第一気筒中心縦平面に垂直な第二気筒中心縦平面とにより機関全体が第一領域、前記第二気筒中心縦平面に対して前記第一領域に対向する第二領域、前記第一気筒中心縦平面に対して前記第二領域に対向する第三領域、及び、前記第二気筒中心縦平面に対して前記第三領域に対向する第四領域に四分割される場合に、吸気弁の中心が前記第一領域の気筒上部に位置し、前記吸気弁を介して気筒内へ通じる吸気ポートが、前記第一気筒中心縦平面と略平行に前記吸気弁から外側へ斜め上方向に延在する吸気一弁式の筒内噴射式内燃機関において、気筒内へ燃料を噴射するための燃料噴射弁は、前記第二領域の気筒上部に配置され、前記燃料噴射弁から吸気下死点近傍において噴射される燃料の貫徹力を利用して、気筒内を前記第二領域から前記第三領域へ斜め下方向に移動する吸気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. 点火プラグは、前記第四領域の気筒上部に配置され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. 前記筒内噴射式火花点火内燃機関は、ＳＯＨＣ型であり、吸気弁の閉弁時期を吸気下死点より遅らせて圧縮仕事を低減するアトキンソンサイクル運転を実施し、カムシャフトの位相の変化を可能とする可変バルブタイミング機構が設けられ、前記可変バルブタイミング機構によって、低負荷時には、高負荷時に比較して吸気弁の閉弁時期を遅角させ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。

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