JP2008232119A

JP2008232119A - 筒内噴射式火花点火内燃機関

Info

Publication number: JP2008232119A
Application number: JP2007077149A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ashizawa; 剛芦澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-03-23
Filing date: 2007-03-23
Publication date: 2008-10-02

Abstract

【課題】気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁から吸気下死点近傍においてシリンダボアの排気ポート側下部又はピストン頂面の排気ポート側周囲部へ向けて噴射する燃料によりタンブル流を強める筒内噴射式火花点火内燃機関において、機関高回転時であっても、噴射燃料により良好にタンブル流を強めて点火時期には良好な均質混合気を気筒内に形成可能とする。
【解決手段】点線で示すように、機関高回転時には、同量の燃料を噴射する機関低回転時に比較して単位クランク角度当たりの燃料噴射率を高めて噴射開始クランク角度を進角させないようにすると共に、噴射終了クランク角度を進角させる。
【選択図】図７

Description

本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。

気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を圧縮行程末期の点火時期において着火燃焼させる均質燃焼において、気筒内へ供給された吸気により気筒内にタンブル流を形成し、このタンブル流を圧縮行程後半まで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存在させ、この乱れによって均質混合気の燃焼速度を高めれば、良好な均質燃焼を実現することができる。

しかしながら、一般的に気筒内に形成されるタンブル流はそれほど強いものではなく、減衰により圧縮行程前半には消滅してしまう。タンブル流を圧縮行程後半まで持続させるために、吸気ポート内に吸気流制御弁を配置し、この吸気流制御弁によって吸気を吸気ポート上壁に沿わせて気筒内へ供給することにより、気筒内に強いタンブル流を形成する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２００５−１８０２４７特開平１１−２９４２４１

前述の筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気流制御弁により吸気を吸気ポート上壁に沿わせて気筒内に供給する時には、吸気流制御弁により吸気ポートが絞られることになる。それにより、必要吸気量が比較的少ない時においては、特に問題なく強いタンブル流を気筒内に形成することができるが、必要吸気量が比較的多くなる時においては、吸気流制御弁により吸気ポートを絞ると吸気不足が発生することがあるために、吸気流制御弁によって強いタンブル流を気筒内に形成することはできない。

このような吸気流制御弁を設けなくても、気筒上部略中心に配置された燃料噴射を具備する筒内噴射式火花点火内燃機関においては、燃料噴射弁から吸気下死点近傍においてシリンダボアの排気ポート側下部又はピストン頂面の排気ポート側周囲部へ向けて貫徹力の強い燃料を噴射すれば、シリンダボアの排気ポート側に沿って下降して吸気ポート側に沿って上昇するように気筒内を縦方向に旋回するタンブル流を強めることができる。

機関低回転時であれば、必要燃料量の多い高負荷時であっても、吸気下死点近傍のクランク角度範囲において前述のようにタンブル流を強める燃料噴射を実施することができる。しかしながら、機関高回転時には、同じ必要燃料量を噴射するのに必要なクランク角度範囲が増大するために、噴射終了クランク角度を一致させると、吸気行程中期には燃料噴射を開始しなければならず、この時に噴射される燃料は、タンブル流となる以前の気筒内へ供給される多量の吸気によってシリンダボアの排気ポート側上部へ偏向されて、タンブル流を良好に強めることができないだけでなく、シリンダボアに付着してエンジンオイルを希釈させる。

それにより、機関高回転時においては、燃料噴射弁の噴射率を高めるようにし、機関回転数に係らずに、同じ必要燃料量を噴射するのに必要なクランク角度範囲を一定にすることが考えられるが、噴射終了クランク角度が同じとされると、機関高回転時においては、噴射終了から点火までの時間が短くなって噴射燃料の気化及び混合が不十分となるために、点火時点において気筒内に良好な均質混合気を形成することができない。

従って、本発明の目的は、気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁から吸気下死点近傍においてシリンダボアの排気ポート側下部又はピストン頂面の排気ポート側周囲部へ向けて噴射する燃料によりタンブル流を強める筒内噴射式火花点火内燃機関において、機関高回転時であっても、噴射燃料により良好にタンブル流を強めて点火時期には良好な均質混合気を気筒内に形成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、気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁から吸気下死点近傍においてシリンダボアの排気ポート側下部又はピストン頂面の排気ポート側周囲部へ向けて噴射する燃料によりタンブル流を強める筒内噴射式火花点火内燃機関において、機関高回転時には、同量の燃料を噴射する機関低回転時に比較して単位クランク角度当たりの燃料噴射率を高めて噴射開始クランク角度を進角させないようにすると共に、噴射終了クランク角度を進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によれば、機関高回転時には、同量の燃料を噴射する機関低回転時に比較して単位クランク角度当たりの燃料噴射率を高めて噴射開始クランク角度を進角させないようにすると共に、噴射終了クランク角度を進角させるようになっている。それにより、機関高回転時においても、噴射開始クランク角度は進角されず、吸気下死点近傍での燃料噴射が実施されてタンブル流を良好に強めることができる。また、機関高回転時には機関低回転時より噴射終了クランク角度が進角されるために、噴射終了から点火までの時間はそれほど短くならず、噴射燃料は十分に気化及び混合され、点火時期において良好な均質混合気を気筒内に形成することができる。

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概略縦断面図であり、均質燃焼のための吸気行程における燃料噴射時期を示している。同図において、１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、２は燃料噴射弁１の吸気ポート側近傍に配置された点火プラグである。３はピストン、４は一対の吸気ポート、５は一対の排気ポートを、それぞれ示している。６は開弁中の吸気弁である。

本筒内噴射式火花点火内燃機関は、気筒内に理論空燃比又は理論空燃比よりリーンな均質混合気を形成し、この均質混合気を点火プラグ２により着火燃焼させる均質燃焼を実施するものである。理論空燃比よりリーンな均質燃焼が実施される場合のリーン空燃比は、ＮＯ_X生成量が比較的少なくなるように設定される（例えば、２０）。高出力が必要な高回転高負荷時等においては、理論空燃比又はリッチ空燃比での均質燃焼を実施するようにしても良い。また、機関排気系に排気ガスの空燃比がリーンである時にＮＯ_Xを吸蔵するＮＯ_X吸蔵触媒装置が配置されている場合においては、ＮＯ_X吸蔵触媒装置から吸蔵ＮＯ_Xを放出して還元浄化する時に、燃焼空燃比を設定リッチ空燃比とする均質燃焼が実施される。

特に、リーン空燃比での均質燃焼は、点火時期において気筒内に乱れを存在させて燃焼速度を速めないと、所望の機関出力が得られない。それにより、吸気行程において気筒内に供給される吸気によってシリンダボアの排気ポート側に沿って下降して吸気ポート側に沿って上昇して気筒内を縦方向に旋回するタンブル流Ｔを気筒内に形成し、このタンブル流Ｔを圧縮行程後半まで持続させてピストン３により押し潰すことにより点火時期において気筒内に乱れを存在させることが好ましい。

本実施形態において、ピストン３の頂面には、タンブル流Ｔが沿う方向の部分円弧形状断面を有するキャビティ３ａが設けられ、タンブル流Ｔの減衰を抑制するようにしている。しかしながら、シリンダヘッドを厚くして吸気ポートの形状配置を工夫したり、吸気ポート内に吸気流制御弁を設ける等しない限り、気筒内に形成されるタンブル流は、それほど強いものではなく、減衰により圧縮行程前半で容易に消滅し、点火時期においてタンブル流による乱れを気筒内に存在させることはできない。

それにより、本筒内噴射式火花点火内燃機関においては、吸気行程において気筒内に形成されたタンブル流Ｔを、吸気下死点近傍、好ましくは、吸気行程末期において燃料噴射弁１によりシリンダボアの排気ポート側下部又はピストン頂面の排気ポート側周囲部へ向けて斜め下方向に噴射される燃料Ｆの貫徹力を利用して強めるようにしている。点火プラグ２は燃料噴射弁１より吸気ポート側に配置されているために、噴射燃料により濡らされてアークの発生が阻害されることはない。

タンブル流Ｔを確実に強めるために、噴射燃料Ｆの貫徹力は、例えば、噴射開始から１ｍｓ後の燃料先端が６０ｍｍ以上に達するように強くすることが好ましい。本筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射弁１は、例えば、図１に図示された燃料噴射方向Ｐから噴孔中心Ｃを見た図２に示すように、半円弧状に整列された複数の丸噴孔を有しており、各丸噴孔から噴射される柱状燃料は、吸気下死点近傍において、タンブル流Ｔを強めるために、シリンダボアの排気ポート側下部（略半円弧断面の帯状部分）及びピストン頂面の排気ポート側周囲部（略半円弧の帯状部分）の少なくとも一方に向かうようにされる。

また、図２と同様な図３に示すように、燃料噴射弁１は、図２の複数の丸噴孔を連結させた半円弧状のスリット噴孔を有して、吸気下死点近傍において、タンブル流を強めるために、シリンダボアの排気ポート側下部（略半円弧断面の帯状部分）及びピストン頂面の排気ポート側周囲部（略半円弧の帯状部分）の少なくとも一方に向かうように中空略半円錐形状の燃料を噴射するようにしても良い。

また、図２と同様な図４に示すように、燃料噴射弁１は、直線状のスリット噴孔を有して、吸気下死点近傍において、タンブル流を強めるために、シリンダボアの排気ポート側下部（略半円弧断面の帯状部分）及びピストン頂面の排気ポート側周囲部（略半円弧の帯状部分）の少なくとも一方に向かうように扇形状の燃料を噴射するようにしても良い。

また、図２と同様な図５に示すように、燃料噴射弁１は、直線状に整列された複数の丸噴孔を有して、吸気下死点近傍において、タンブル流を強めるために、シリンダボアの排気ポート側下部（略半円弧断面の帯状部分）及びピストン頂面の排気ポート側周囲部（略半円弧の帯状部分）の少なくとも一方に向かうように複数の柱状燃料を噴射するようにしても良い。

また、燃料噴射弁１は、折れ線状に整列された複数の丸噴孔又は折れ線状のスリット噴孔を有するようにして、タンブル流を強めるために、シリンダボアの排気ポート側下部（略半円弧断面の帯状部分）及びピストン頂面の排気ポート側周囲部（略半円弧の帯状部分）の少なくとも一方に向かうように燃料を噴射するようにしても良い。

また、燃料噴射弁１は、シリンダボアの排気ポート側下部（略半円弧断面の帯状部分）及びピストン頂面の排気ポート側周囲部（略半円弧の帯状部分）の範囲内に向かうように、中実又は中空円錐形状の燃料を噴射するものでも良い。こうして強められたタンブル流Ｔは、圧縮行程後半においても確実に持続するために、ピストン３により押し潰されると、点火時期においても維持される気筒内の乱れを発生させることができる。

機関低回転時であれば、比較的多量の燃料を必要とする機関高負荷時であっても、前述の吸気行程末期のクランク角度範囲における燃料噴射が可能であり、タンブル流Ｔを良好に強めることができる。しかしながら、機関中回転時及び機関高回転時となると、同量の燃料を噴射するのに必要なクランク角度範囲が機関低回転時に比較して増大し、噴射終了クランク角度を一致させると、吸気行程中期には燃料噴射を開始しなければならなくなる。

しかしながら、吸気行程中期は、タンブル流となる以前の多量の吸気が吸気ポート４を介して気筒内へ供給され、それにより、図６に示すように、この時に燃料噴射弁１から噴射される燃料Ｆは、吸気によりシリンダボアの排気ポート側へ偏向され、タンブル流Ｔを良好に強めることができないだけでなく、シリンダボアの排気ポート側へ付着し易い。こうしてシリンダボアに付着する燃料は、燃焼に寄与せずにエンジンオイルを希釈させる。また、吸気により偏向された燃料との摩擦によって気筒内の排気ポート側上部の空気が燃料と共に流動して排気ポート側上部に渦Ｓを形成し、この渦Ｓはタンブル流Ｔとは逆方向に縦回転するものであるために、タンブル流Ｔと衝突してタンブル流を減衰させる。

図７は機関回転数毎の燃料噴射クランク角度範囲を示している。同図に実線で示すように、そのままでは、機関回転数が高くなるほど、燃料噴射クランク角度範囲は大きくなり、前述の問題が発生する。本実施形態では、前述の問題発生を抑制するために、特に、多量の燃料が必要とされる機関高負荷時において、図７に点線で示すように、機関回転数が高いほど燃料噴射圧力を高めて単位クランク角度当たりの燃料噴射率を大きくし、機関回転数に係らずに噴射開始クランク角度Ａ１は一定とし、吸気行程中期に燃料噴射が実施されないようにしている。

また、機関中回転時又は機関高回転時の噴射開始クランク角度は、機関低回転時の噴射開始クランク角度Ａ１より遅角されても良いが、少なくとも進角されないようにすれば良い。こうして、噴射燃料が吸気行程中期の吸気によって偏向される際の問題を回避することができる。

また、こうして、機関回転数に係らずに噴射開始クランク角度Ａ１を一定としても、単位クランク角度当たりの燃料噴射率を機関回転数が高いほど大きくする程度が小さいと、機関中回転時又は機関高回転時の噴射終了クランク角度は、機関低回転時の噴射終了クランク角度Ａ２（吸気下死点ＢＤＣ又は吸気下死点前後）より遅角されるか、又は、機関回転数に係らずに噴射終了クランク角度は一定とされるだけである。

しかしながら、これでは、機関中回転時及び機関高回転時において噴射終了から点火時期までの時間が機関低回転時に比較して短くなり、噴射燃料は十分に気化及び混合されず、点火時期において良好な均質混合気を気筒内に形成することができない。それにより、本実施形態では、単位クランク角度当たりの燃料噴射率を機関回転数が高いほど大きくする程度を大きくし、例えば、機関回転数が二倍となれば、単位時間当たりの噴射率は二倍より大きくする。

こうして、機関中回転時の噴射終了クランク角度は、機関低回転時の噴射終了クランク角度Ａ２より進角させ、機関高回転時の噴射終了クランク角度は、機関中回転時の噴射終了クランク角度より進角させる。それにより、機関中回転時及び機関高回転時において噴射終了から点火時期までの時間は、機関低回転時に比較してそれほど短くはならず、点火時期までには噴射燃料を十分に気化及び混合させて良好な均質混合気を気筒内に形成することができる。

このように、本実施形態では、機関回転数が高いほど単位クランク角度当たりの燃料噴射率を高めるのに燃料噴射圧力を高めるようにしたが、これは本発明を限定するものではなく、例えば、燃料噴射弁１の弁体をピエゾアクチュエータによりリフトさせるようにして、機関回転数が高いほどピエゾアクチュエータに印加する電圧を大きくすることにより弁体を大きくリフトさせるようにしても良い。この場合において、燃料噴射弁１は、弁体を内側にリフトさせるものでも良いが、弁体を外側にリフトさせるものとしても良い。

本実施形態において、燃料噴射率は、低回転時、中回転時、及び、高回転時のための三段階に変化させるようにしているが、さらに多段階に変化させるようにしても良く、また、機関回転数に応じて無段階に変化させることが好ましい。また、少なくとも機関回転数を二段階に分割して、機関高回転時には、同量の燃料を噴射する機関低回転時に比較して単位クランク角度当たりの燃料噴射率を高めて噴射開始クランク角度を進角させないようにすると共に、噴射終了クランク角度を進角させるようにすれば良い。

本実施形態において、機関回転数に係らずに噴射開始クランク角度を一定とすると、それぞれに燃料噴射率の等しい低回転時、中回転時、及び高回転時のそれぞれにおいて、機関回転数が高いほど噴射終了クランク角度は遅くなるが、中回転時の各回転数における噴射終了クランク角度は、低回転時の各回転数における噴射終了クランク角度より進角側とされ、高回転時の各回転数における噴射終了クランク角度は、中回転時の各回転数における噴射終了クランク角度より進角側とされる。

また、必要燃料量が少ない時には機関高回転時であっても吸気下死点近傍のクランク角度範囲において燃料噴射を実施することができる。しかしながら、噴射燃料のピストン頂面への付着を抑制するためには、できる限りピストン３が低く位置する時に燃料噴射を実施することが好ましく、それにより、必要燃料量が少ない時にも機関回転数が高いほど燃料噴射圧力を高めて、機関回転数に係らず噴射開始クランク角度を一定とし、噴射終了クランク角度を機関回転数が高いほど進角させることが好ましい。

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。燃料噴射弁の噴孔形状を示す図である。燃料噴射弁のもう一つの噴孔形状を示す図である。燃料噴射弁のさらにもう一つの噴孔形状を示す図である。燃料噴射弁のさらにもう一つの噴孔形状を示す図である。吸気行程中期に燃料が噴射される場合を示す筒内噴射式火花点火内燃機関の概略断面図である。燃料噴射クランク角度範囲を示す図である。

符号の説明

１燃料噴射弁
２点火プラグ
３ピストン
４吸気ポート
５排気ポート
Ｆ噴射燃料
Ｔタンブル流

Claims

気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁から吸気下死点近傍においてシリンダボアの排気ポート側下部又はピストン頂面の排気ポート側周囲部へ向けて噴射する燃料によりタンブル流を強める筒内噴射式火花点火内燃機関において、機関高回転時には、同量の燃料を噴射する機関低回転時に比較して単位クランク角度当たりの燃料噴射率を高めて噴射開始クランク角度を進角させないようにすると共に、噴射終了クランク角度を進角させることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。