JP2008255833A - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】筒内への吸気の流入方向が変化しても、燃料噴射弁から噴射する燃料で確実にタンブル流を強化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４に形成されるタンブル流ＴＳを燃料噴射弁から噴射する燃料で強化するようにしている筒内噴射式の火花点火内燃機関１Ａであって、前記燃料の噴射方向を変更可能とする噴射変更手段２１、２３と、前記噴射方向が吸気通路から前記筒内に入る吸気ＡＲの流入方向と一致するように前記噴射変更手段を制御する制御手段１０とを備える。制御手段１０が吸気の流入方向と一致するように噴射変更手段を制御するので、燃料の噴射方向を常に吸気の流入方向と一致するように調整できるので筒内４に形成されるタンブル流を確実に強化できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、筒内噴射式の火花点火内燃機関に関し、より詳細には筒内に形成するタンブル流を強化して性能向上を図る筒内噴射式の火花点火内燃機関に関する。

筒内へ燃料を直接に噴射し点火することで駆動力を得るようにしている筒内噴射型（直噴型）の火花点火内燃機関が広く知られている。そして、このタイプの内燃機関に関しては、筒内にタンブル流を形成して燃焼や排気エミッションの改善を図る技術が従来から種々提案されている。筒内に適度なタンブル流を形成させると、点火時期において混合気の均質性を向上させることができ、燃焼速度が向上するので良好な燃焼を実現できる。また、これにより排気エミッションの改善を図ることもできるので内燃機関の性能を向上させることができる。

そこで、例えば特許文献１で開示する内燃機関のように、吸気通路内に吸気制御弁を配備し、これを開閉制御することにより吸気流を調整して筒内に形成するタンブル流を強化する技術などが従来においては多く検討されていた。

特開２００５−１８０２４７号公報

ところが、特許文献１の内燃機関は吸気通路内にタンブル流を強化するための吸気制御弁を配備して開閉を制御することが必要となるので構成が複雑化してしまう。これについて、筒内に燃料を直接に噴射する直噴タイプの内燃機関の場合、筒内のタンブル流を燃料噴射弁からの噴射した燃料でアシストするという手法が考えられる。このような手法を採用すればより簡易にタンブル流を強化できる。

しかしながら、内燃機関の運転状態により吸気バルブ（インテークバルブ）のリフト量は変化する。これに伴って、吸入空気（以下、単に吸気と称す）が筒内へ流れ込む流入方向も変化する。一般に燃料噴射弁の燃料噴射方向は一定であるので吸気の流入方向が変化すると対応できず、燃料噴射方向が吸気流入方向とずれてタンブル流を強化できない場合がある。

そこで、本発明の目的は、内燃機関の運転状態により筒内への吸気の流入方向が変化しても、燃料噴射弁から噴射する燃料で確実にタンブル流を強化できる筒内噴射式火花点火内燃機関を提供することである。

上記目的は、筒内に形成されるタンブル流を燃料噴射弁から噴射する燃料で強化するようにしている、筒内噴射式の火花点火内燃機関であって、前記燃料の噴射方向を変更可能とする噴射変更手段と、前記噴射方向が吸気通路から前記筒内に入る吸気の流入方向と一致するように前記噴射変更手段を制御する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によって達成できる。

本発明によると、制御手段が吸気の流入方向と一致するように噴射変更手段を制御するので、燃料の噴射方向を常に吸気の流入方向と一致するように調整できるので筒内に形成されるタンブル流を確実に強化できる。

そして、前記制御手段は、吸気バルブのリフト量が大きいときに筒内に対して大きい燃料噴射角で燃料噴射を実行し、吸気バルブのリフト量が小さいときは筒内に対して小さい燃料噴射角で燃料噴射を実行するような制御を実行するのが好ましい。

また、噴射変更手段は筒内に異なる燃料噴射角で燃料を噴射するように配備した複数の燃料噴射弁を含み、前記制御手段は、吸気バルブのリフト量が大きいときに大きい燃料噴射角の第１の燃料噴射弁を選択して燃料噴射を実行し、吸気バルブのリフト量が小さいときには小さい燃料噴射角の第２の燃料噴射弁を選択して燃料噴射を実行するようにしてもよい。

また、前記第１の燃料噴射弁及び第２の燃料噴射弁をシリンダの側部に並列的に配置し、触媒暖機の際に前記第１の燃料噴射弁から燃料噴射を実行するようにしてもよい。

さらに、噴射変更手段は、筒内に燃料を噴射するように配備した１つの燃料噴射弁の燃料噴射方向を変更する燃料噴射変更構造を含み、前記制御手段は、吸気バルブのリフト量が大きいときに大きい燃料噴射角となるように燃料噴射変更構造を制御し、吸気バルブのリフト量が小さいときは小さくなるように燃料噴射変更構造を制御する筒内噴射式火花点火内燃機関としてもよい。

本発明によれば、内燃機関の運転状態により筒内への吸気の流入方向が変化しても、燃料噴射弁から噴射する燃料で確実にタンブル流を強化できる筒内噴射式火花点火内燃機関を提供できる。

以下、本発明に係る好ましい実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。

図１は、実施例１に係る筒内噴射式の火花点火内燃機関（以下、単にエンジンと称する）の構成を示している図である。エンジン１Ａは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御装置）１０により全体的に制御されている。そして、このＥＣＵ１０は、後述する吸気バルブ（インテークバルブ）のリフト量に応じて燃料の噴射方向を変更して、筒内（燃焼室内）に形成されているタンブル流を強化させる制御手段としても機能する。このＥＣＵ１０については後に詳述する。

エンジン１Ａは、一般的な内燃機関と同様にシリンダ２内にピストン３が上下動するように配備されている。ピストン３の上面とシリンダ２の内壁によって囲まれた空間が筒内（燃焼室）４となる。この筒内４へ吸気ＡＲを流入させる吸気通路５及び筒内４で発生した排気ガスＥＧを排出する排気通路６が配備されている。

吸気通路５には筒内４へ流入する吸気ＡＲを調整する吸気バルブ７が配備されている。吸気バルブ７の上部には、この吸気バルブ７のリフト量を設定するカムシャフト８が配備されている。そして、カムシャフト８の回転を検出するカム角センサ９が設けられている。カム角センサ９の出力は、ＥＣＵ１０へ供給されている。同様に、排気通路６には筒内４で発生した排気ガスＥＧの排出タイミングを調整する排気バルブ１２が配備されている。この排気バルブ１２についても、吸気バルブ７と同様の構造が設けてある。すなわち、排気バルブ１２のリフト量を設定するカムシャフト１３が配備されている。そして、カムシャフト１３の回転を検出するカム角センサ１４が設けられている。カム角センサ１４の出力もＥＣＵ１０へ供給されている。

そして、このエンジン１Ａには複数（図１では２個）の燃料噴射弁（インジェクタ）が先端部の噴孔を筒内４に臨むようにして配備してある。第１の燃料噴射弁２１は、シリンダヘッドの中央部の点火プラグ２５に近接して、筒内４に対して立ち姿勢となるような大きな燃料噴射角αで設置してある。なお、ここでの燃料噴射角とは、図１で水平方向ＨＬ（ピストン３の移動方向に垂直な方向）に対して、燃料噴射弁から噴射された燃料の噴霧中心ＣＬがなす角度である。

一方、第２の燃料噴射弁２３はシリンダブロックの側部に点火プラグ２５に配備されるもので、筒内４に対して寝た姿勢となる小さな燃料噴射角βで設置してある。

上記で説明した各部はＥＣＵ１０によって制御されている。ＥＣＵ１０は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算処理装置）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入出力回路などを有して構成されている。ＲＯＭはＣＰＵが実行する種々の処理が記述されたプログラムやこのプログラムで使用する一連のデータなどを格納している。本実施例ではエンジン１Ａの制御用プログラムのほか、吸気側のカム角センサ９の出力から吸気バルブ７のリフト量を確認して、これに基づいて燃料噴射させる燃料噴射弁を選択するプログラムなどが格納してある。

筒内４に形成されるタンブル流ＴＳは吸気ＡＲの流入に基づいて形成される。このタンブル流を燃料噴射弁から噴射する燃料で強化しようとする場合、燃料噴射方向が吸気の流入方向と一致するように、すなわち燃料噴射方向が吸気の流入方向と平行となるように燃料を噴射することが望まれる。ところが、エンジン１Ａの運転状態に応じて筒内４に最適量の吸気を供給する必要があるので、吸気バルブ７のリフト量が変化する。これにより、吸気の流入方向が変化してしまうため、燃料噴射方向が不一致となりタンブル流を強化できない状況が発生していた。本実施例のエンジン１Ａはこの問題に対処するものである。図２、図３を参照して、ＥＣＵ１０が実行する燃料噴射について説明することで、この点を明らかにする。

図２は、上記ＥＣＵ１０が実行する燃料噴射の様子を模式的に示した図であり、（Ａ）は燃料噴射角が大きい第１の燃料噴射弁２１を選択して燃料ＦＥを噴射した場合、（Ｂ）は燃料噴射角が小さい第２の燃料噴射弁２３を選択して燃料ＦＥを噴射した場合を示している。また、図３は吸気バルブ７のリフト量を基準として採用する燃料噴射弁を予め定めたデータテーブルの例である。このデータでは、吸気バルブ７の最大リフト量（Ｌｍａｘ）の半分（１／２）を境に、第１の燃料噴射弁２１、第２の燃料噴射弁２３のどちらを採用するかが定められている。ＥＣＵ１０はＲＯＭにこのデータを格納しており、適宜に読み出してそのときに適した燃料噴射弁を選択して燃料噴射を実行する。

ＥＣＵ１０は燃料噴射の制御を次のように実行する。ＥＣＵ１０はカム角センサ９の出力から吸気バルブ７のリフト量を確認して、そのリフト量が最大リフト量Ｌｍａｘの半分以下である場合は、図２（Ｂ）で示すように第２の燃料噴射弁２３を選択して小さい燃料噴射角βで燃料噴射を実行する。一方、吸気バルブ７のリフト量が最大リフト量Ｌｍａｘの半分を超える場合は、図２（Ａ）で示すように第１の燃料噴射弁２１を選択して大きい燃料噴射角αで燃料噴射を実行する。このように燃料噴射弁を選択することで、エンジンの運転状態により筒内へ流入する吸気ＡＲの流入方向が変化しても燃料噴射方向を一致させる。

以上で説明したように、本実施例のエンジン１Ａは筒内４へ直接に、燃料を噴射する燃料噴射弁を複数備えている。これら複数の燃料噴射弁２１、２３が噴射変更手段となる。そして、ＥＣＵ１０は燃料噴射弁２１、２３を選択的に採用して、燃料の噴射方向が吸気の流入方向に一致するように（噴射方向が吸気の流入方向に沿うに）燃料噴射を制御する。よって、エンジン１Ａは運転状態で吸気の流入方向が変化しても、これに対応して燃料の噴射方向を適切に調整できる。よって、筒内４に形成されるタンブル流を確実に強化して、エンジン１Ａの性能向上を図ることができる。以下で、更に他の実施例を説明する。

図４は、実施例２に係る筒内噴射式のエンジン１Ｂの構成を示している図である。ただし、図４で示すエンジン１Ｂの基本構成は、前述したエンジン１Ａと同様である。よって、エンジン１Ｂについては図１と同一の部分には同じ符号を付すことで重複する説明を省略して、異なる点を中心に説明する。エンジン１Ｂは排気通路の下流に配置した触媒装置の暖機にも考慮している改良型の実施例である。

実施例２のエンジン１Ｂは、２つの燃料噴射弁２７、２９がシリンダ２の側部に近接して並列的に配置されている点が、実施例１のエンジン１Ａの場合とは異なる。すなわち、実施例１のエンジン１Ａでは第１の燃料噴射弁２１がシリンダヘッド中央に立ち姿勢で設定されていた。これに対して、実施例２のエンジン１Ｂでは第１の燃料噴射弁がシリンダ２の側部に変更されている。図４で、下側が第１の燃料噴射弁２７であり燃料噴射角がγである。そして、その上側が第２の燃料噴射弁２９であり燃料噴射角がδである。本実施例でも、第１の燃料噴射弁２７の方の燃料噴射角が大きく設定してある。

図５は、上記ＥＣＵ１０が実行する燃料噴射の様子を模式的に示した図であり、（Ａ）は燃料噴射角が大きい第１の燃料噴射弁２７を選択して燃料噴射した場合、（Ｂ）は燃料噴射角が小さい第２の燃料噴射弁２９を選択して燃料噴射した場合を示している。このように、エンジン１Ｂの場合も、ＥＣＵ１０は吸気バルブ７のリフト量を確認して、リフト量が大きいときに（Ａ）で示す燃料噴射角が大きい第１の燃料噴射弁２７を選択して燃料噴射する。一方、リフト量が小さいときは（Ｂ）で示す燃料噴射角が小さい第２の燃料噴射弁２９を選択して燃料噴射する。また、第１の燃料噴射弁２７と第２の燃料噴射弁２９のどちらを採用するかについても、図６に示すように吸気バルブ７の最大リフト量（Ｌｍａｘ）の半分（１／２）を境界とすることができる。この点も実施例１の場合と同様である。

ところが、エンジン１Ｂの場合は、排気通路の途中に配備した触媒の暖機にも配慮した構成としてある点が前述したエンジン１Ａと異なっている。図７は、エンジン１Ｂの点火時期を大幅に遅角したときの様子を示した図である。点火時期を大幅遅角したときに、燃料噴射角の大きい第１の燃料噴射弁２７を選択して燃料噴射すると点火プラグ２５の近傍に高濃度の混合気ＭＡを形成できる。エンジンの始動時などに、この操作を実行して混合気ＭＡに点火することで高温の排気ガスＥＧを流して下流の触媒装置３０の暖機を図ることができる。このように実施例２のエンジン１Ｂは、タンブル流の強化だけでなく、必要に応じて触媒装置３０の暖機も行えるより改善したエンジンとして提供できる。

なお、上記した実施例は筒内４に２個の燃料噴射弁を配置する場合を一例として説明しているが、燃料噴射弁を３個以上配置して燃料噴射方向がより精度良く吸気の流入方向と一致するように構成してもよい。このように複数の燃料噴射弁を配備することが噴射変更手段となる。しかし、噴射変更手段は、このように複数の燃料噴射弁を配備する形態に限らない。図８（Ａ）で示すように燃料噴射の方向が異なる複数種の噴孔を有する１つの燃料噴射弁３１を採用し、ＥＣＵ１０により燃料の噴射方向を変更するようにしてもよい。また、図８（Ｂ）で示すように１つの燃料噴射弁３２に角度変更構造３３を設け、ＥＣＵ１０により角度変更構造３３を制御して燃料の噴射方向を変更するようにしてもよい。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

実施例１に係る筒内噴射式のエンジン１Ａの構成を示している図である。 ＥＣＵが実行する燃料噴射の様子を模式的に示した図であり、（Ａ）は燃料噴射角が大きい第１の燃料噴射弁を選択して燃料噴射した場合、（Ｂ）は燃料噴射角が小さい第２の燃料噴射弁を選択して燃料噴射した場合を示している図である。 吸気バルブのリフト量を基準として採用する燃料噴射弁を予め定めたデータテーブルの例を示した図である。 実施例２に係る筒内噴射式のエンジン１Ｂの構成を示している図である。 ＥＣＵが実行する燃料噴射の様子を模式的に示した図である。 吸気バルブのリフト量を基準として採用する燃料噴射弁を予め定めたデータテーブルの例を示した図である。 エンジン１Ｂの点火時期を大幅に遅角したときの様子を示した図である。 噴射変更手段の他の形態例を示した図である。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ エンジン（筒内噴射式の火花点火内燃機関）
２ シリンダ
３ ピストン
４ 筒内
５ 吸気通路
６ 排気通路
７ 吸気バルブ
２１、２３ 燃料噴射弁
ＦＥ 燃料
ＡＲ 吸気
ＴＳ タンブル流
α、β 燃料噴射角

Claims (5)

1. 筒内に形成されるタンブル流を燃料噴射弁から噴射する燃料で強化するようにしている、筒内噴射式の火花点火内燃機関であって、
   前記燃料の噴射方向を変更可能とする噴射変更手段と、前記噴射方向が吸気通路から前記筒内に入る吸気の流入方向と一致するように前記噴射変更手段を制御する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. 前記制御手段は、吸気バルブのリフト量が大きいときに筒内に対して大きい燃料噴射角で燃料噴射を実行し、吸気バルブのリフト量が小さいときは筒内に対して小さい燃料噴射角で燃料噴射を実行する、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. 噴射変更手段は筒内に異なる燃料噴射角で燃料を噴射するように配備した複数の燃料噴射弁を含み、
   前記制御手段は、吸気バルブのリフト量が大きいときに大きい燃料噴射角の第１の燃料噴射弁を選択して燃料噴射を実行し、吸気バルブのリフト量が小さいときには小さい燃料噴射角の第２の燃料噴射弁を選択して燃料噴射を実行する、ことを特徴とする請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
4. 前記第１の燃料噴射弁及び第２の燃料噴射弁をシリンダの側部に並列的に配置し、触媒暖機の際に前記第１の燃料噴射弁から燃料噴射を実行する、ことを特徴とする請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
5. 噴射変更手段は、筒内に燃料を噴射するように配備した１つの燃料噴射弁の燃料噴射方向を変更する燃料噴射変更構造を含み、
   前記制御手段は、吸気バルブのリフト量が大きいときに大きい燃料噴射角となるように燃料噴射変更構造を制御し、吸気バルブのリフト量が小さいときは小さくなるように燃料噴射変更構造を制御して、燃料噴射を実行することを特徴とする請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。

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