JP2008303803A - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 良好な成層混合気塊を形成することが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】 筒内噴射式火花点火内燃機関（１００）において、燃料噴射制御手段（７２）は、圧縮行程において、噴射された燃料噴霧（８０）が燃焼室（２０）の排気ポート（２８）側から吸気ポート（２４）側へ向かう方向へ排気側キャビティ（３４）の内壁に沿って縦方向に旋回する成層混合気塊（８２）となる第１噴射時期と、第１噴射時期よりも遅く、かつ噴射された燃料噴霧がピストン（１８）の排気側キャビティの外であって吸気ポート側の頂面（３６）に衝突した後、燃焼室の吸気ポート側から排気ポート側へ向かう方向へ移動し、第１噴射時期に噴射されて形成された成層混合気塊の吸気ポート側の外周部にあたり、成層混合気塊と一体となって旋回する第２噴射時期と、に燃料噴射弁（４０）を制御することを特徴とするものである。
【選択図】 図３

Description

本発明は筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。

近年、気筒内に燃料噴射弁から燃料を直接噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関が開発されてきている。このような筒内噴射式火花点火内燃機関においては、例えば燃焼室の吸気ポート側に燃料噴射弁を設ける一方、ピストンの頂面において排気ポート側に偏倚した位置に凹部（キャビティ）を有するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３７５８３６４号公報

燃焼室の吸気ポート側に燃料噴射弁を有し、ピストンの頂面において排気ポート側に偏倚した位置にキャビティを有する従来例１に係る筒内噴射式火花点火内燃機関においては、以下のような問題点があった。図１（ａ）は、従来例１に係る筒内噴射式火花点火内燃機関において、圧縮行程において燃料が噴射された場合における機関本体１０を示す模式的断面図である。図１（ａ）に示すように、燃焼室２０はシリンダブロック１４の気筒１２内に配置されたピストン１８の頂面とシリンダブロック１４上に配置されたシリンダヘッド１６の下面とで区画されて形成されている。燃料噴射弁４０は、燃焼室２０の吸気ポート２４側の側部に配置されている。また、燃焼室２０の上部略中心には点火プラグ４２が配置されている。燃焼室２０には、吸気弁２２によって開閉される吸気ポート２４と排気弁２６によって開閉される排気ポート２８とが形成されている。吸気ポート２４および排気ポート２８はいずれも燃焼室２０に対して適度の傾きをもって形成されている。

ピストン１８の頂面は、吸気ポート２４および排気ポート２８の傾きに対向するように適度な傾きをもって山型に形成されている。山型に形成されたピストン１８の頂面のうち吸気ポート２４に対向する頂面を頂面３６とし、排気ポート２８に対向する頂面を頂面３８とする。頂面３８には、排気側キャビティ３４が形成されている。

図１（ａ）に示すように、圧縮行程において燃料が噴射された場合、噴射された燃料は燃料噴霧８０となり、燃焼室２０の燃料噴射弁４０が配置された側に対向する側の側部に衝突した後、排気側キャビティ３４の内壁に沿って縦方向に旋回する成層混合気塊８２となる。

一方、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すピストン１８が上昇した場合における機関本体１０を示す模式的断面図である。図１（ｂ）に示すように、例えば排気側キャビティ３４の形状が適当でない場合には、燃焼室２０内における気流の影響等を受けて成層混合気塊８２の一部が吸気ポート２４側に拡散するおそれがある。この場合、成層混合気塊から拡散した部分が過薄混合気８４となり、未燃ＨＣ排出、燃費悪化等の要因となるおそれがある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、良好な成層混合気塊を形成することができる筒内噴射式火花点火内燃機関を提供することを目的とする。

本発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関は、吸気ポートと排気ポートとを有する燃焼室と、頂面において排気ポート側に偏倚した位置に形成された排気側キャビティを有するピストンと、燃焼室のうち吸気ポート側に設けられ、燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃料噴射弁から燃料が噴射されるように燃料噴射弁を制御する燃料噴射制御手段と、を備えた筒内噴射式火花点火内燃機関であって、燃料噴射制御手段は、圧縮行程において、噴射された燃料噴霧が燃焼室の排気ポート側から吸気ポート側へ向かう方向へ排気側キャビティの内壁に沿って縦方向に旋回する成層混合気塊となる第１噴射時期と、第１噴射時期よりも遅く、かつ噴射された燃料噴霧がピストンの排気側キャビティの外であって吸気ポート側の頂面に衝突した後、燃焼室の吸気ポート側から排気ポート側へ向かう方向へ移動し、第１噴射時期に噴射されて形成された成層混合気塊の吸気ポート側の外周部にあたり、成層混合気塊と一体となって旋回する第２噴射時期と、に燃料噴射弁を制御することを特徴とするものである。

本発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、第２噴射時期に噴射された燃料噴霧は、第１噴射時期に噴射されて形成された成層混合気塊の吸気ポート側の外周部にあたり、成層混合気塊と一体となって旋回する。それにより、第２噴射時期に噴射された燃料噴霧により、第１噴射時期に噴射されて形成された成層混合気塊の一部が吸気ポート側に拡散することが抑制される。その結果、良好な成層混合気塊を形成することができる。

上記構成において、ピストンは、ピストンの排気側キャビティの外であって吸気ポート側の頂面に形成された吸気側キャビティをさらに有し、第２噴射時期に噴射された燃料噴霧は、吸気側キャビティの内壁に衝突した後、燃焼室の吸気ポート側から排気ポート側へ向かう方向へ吸気側キャビティの内壁に沿って移動し、第１噴射時期に噴射されて形成された成層混合気塊の吸気ポート側の外周部にあたり、成層混合気塊と一体となって旋回してもよい。

この構成によれば、吸気側キャビティを有することから、第２噴射時期に噴射された燃料噴霧の移動方向は、成層混合気塊の吸気ポート側の外周部へ向かう方向に集約される。それにより、一定方向に集約された燃料噴霧が成層混合気塊の吸気ポート側の外周部にあたることから、成層混合気塊の旋回強度は吸気側キャビティを有しない場合に比較して、増加する。

本発明によれば、良好な成層混合気塊を形成することができる筒内噴射式火花点火内燃機関を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

本発明の第１実施例に筒内噴射式火花点火内燃機関１００について説明する。図２は、本発明の第１実施例に係る筒内噴射式火花点火内燃機関１００の全体構成を示す模式図である。図２に示すように、筒内噴射式火花点火内燃機関１００は、機関本体１０と、燃料タンク６０と、ＥＣＵ７０と、を備える。機関本体１０は、複数の気筒１２（図２では１つのみ図示）を有するシリンダブロック１４と、シリンダブロック１４上に配置されたシリンダヘッド１６と、気筒１２内を往復運動するピストン１８と、を備えている。気筒１２内のピストン１８の頂面とシリンダヘッド１６の下面とで区画された領域には、燃焼室２０が形成されている。

燃焼室２０には、吸気弁２２によって開閉される吸気ポート２４と排気弁２６によって開閉される排気ポート２８とが形成されている。吸気ポート２４および排気ポート２８の形状は特に限定されないが、本実施例においては、いずれも燃焼室２０に対して適度の傾きをもって形成されている。吸気ポート２４には、吸気管３０が接続されている。排気ポート２８には排気管３２が接続されている。吸気ポート２４の上流には、スロットルバルブ（図示せず）が設けられている。スロットルバルブは、吸気管３０を通って燃焼室２０に供給される空気量を調整する。燃焼室２０内から排出される排気は、排気管３２を通って機関本体１０の外部へ排出される。

ピストン１８は、頂面において排気ポート２８側に偏倚した位置に形成された排気側キャビティ３４を有している。排気側キャビティ３４は、圧縮行程において成層混合気塊を形成し、形成された成層混合気塊を一定期間保持する機能を有する。排気側キャビティ３４の形状は、成層混合気塊を形成でき、それを一定期間保持することができるものであれば特に限定されない。本実施例においては、排気側キャビティ３４は、排気ポート２８側に偏倚した位置に中心点を持つ円弧形状を有している。

なお、ピストン１８の頂面の形状は、排気側キャビティ３４を有していれば特に限定されないが、本実施例においては、吸気ポート２４および排気ポート２８の傾きに対向するように適度な傾きをもった山型形状を有している。山型に形成されたピストン１８の頂面のうち吸気ポート２４に対向する頂面を頂面３６とし、排気ポート２８に対向する頂面を頂面３８とする。この場合、排気側キャビティ３４は、頂面３８に形成されている。

燃焼室２０の吸気ポート２４側の側部には燃料噴射弁４０が配置されている。燃料噴射弁４０はＥＣＵ７０の指示により、燃料タンク６０から供給された燃料を、燃焼室２０内に直接噴射する。燃料噴射弁４０から噴射された燃料は噴霧状の燃料噴霧となる。燃料噴射弁４０の噴射角度は、水平方向より重力方向下方の方向に調整されている。また、燃焼室２０の上部略中心には点火プラグ４２が配置されている。点火プラグ４２は、ＥＣＵ７０の指示により火花を点火する。

ピストン１８はコネクティングロッド４４を介してクランクシャフト（図示せず）に連結されている。機関本体１０のクランクシャフトの近傍には、クランク角度センサ５０が配置されている。クランク角度センサ５０は、クランク角度を検出してＥＣＵ７０に伝える。それにより、ＥＣＵ７０はピストン１８の位置を把握することができる。

燃料タンク６０は、燃料であるガソリンを貯留する。燃料タンク６０に貯留された燃料は、燃料噴射弁４０と燃料タンク６０との間に介挿された燃料ポンプ（図示せず）によって、燃料噴射弁４０に供給される。

ＥＣＵ７０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成された電子制御ユニット（Ｅｌｅｃｔｒｏnｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）である。ＥＣＵ７０は、燃料噴射制御手段７２を備える。燃料噴射制御手段７２は、所定の時期に、燃料が噴射されるように燃料噴射弁４０を制御する。具体的には、燃料噴射制御手段７２は、クランク角度センサ５０の検出結果を基に、圧縮行程において、第１噴射時期と第２噴射時期とに燃料が噴射されるように燃料噴射弁４０を制御する。

図３（ａ）は、第１噴射時期に燃料が噴射された場合における機関本体１０を示す模式的断面図である。図３（ｂ）は、第２噴射時期に燃料が噴射された場合における機関本体１０を示す模式的断面図である。図３（ａ）に示すように、第１噴射時期に噴射された燃料噴霧８０は、燃焼室２０の排気ポート２８側の側部に衝突する。その後、ピストン１８が上昇するのに伴い、燃焼室２０の排気ポート２８側から吸気ポート２４側へ向かう方向へ排気側キャビティ３４の内壁に沿って縦方向に旋回する成層混合気塊８２となる。

一方、図３（ｂ）に示すように、第２噴射時期に噴射された燃料噴霧８０は、ピストン１８の排気側キャビティ３４の外であって吸気ポート２４側の頂面３６に衝突する。その後、第２噴射時期に噴射された燃料噴霧８０は、燃焼室２０の吸気ポート２４側から排気ポート２８側へ向かう方向へ移動し、第１噴射時期に噴射されて形成された成層混合気塊８２の吸気ポート２４側の外周部にあたり、成層混合気塊８２と一体となって旋回する。

図４は、ＥＣＵ７０の圧縮行程における動作の一例を示すフローチャートである。まず、燃料噴射制御手段７２は、クランク角度センサ５０の検出結果を読み込み、噴射された燃料噴霧が燃焼室２０の排気ポート２８側から吸気ポート２４側へ向かう方向へ排気側キャビティ３４の内壁に沿って縦方向に旋回する成層混合気塊８２となる第１噴射時期に、燃料が噴射されるように燃料噴射弁４０を制御する（ステップＳ１）。

次いで、燃料噴射制御手段７２は、クランク角度センサ５０の検出結果を読み込み、第１噴射時期よりも遅く、かつ噴射された燃料噴霧が頂面３６に衝突した後、燃焼室２０の吸気ポート２４側から排気ポート２８側へ向かう方向へ移動し、第１噴射時期に噴射されて形成された成層混合気塊８２の吸気ポート２４側の外周部にあたり、成層混合気塊８２と一体となって旋回する第２噴射時期に、燃料が噴射されるように燃料噴射弁４０を制御する（ステップＳ２）。次いで、ＥＣＵ７０はフローチャートの実行を終了する。

本実施例に係る筒内噴射式火花点火内燃機関１００によれば、第２噴射時期に噴射された燃料噴霧８０は、第１噴射時期に噴射されて形成された成層混合気塊８２の吸気ポート２４側の外周部にあたり、成層混合気塊８２と一体となって旋回する。それにより、第２噴射時期に噴射された燃料噴霧８０により、第１噴射時期に噴射されて形成された成層混合気塊８２の一部が吸気ポート側に拡散することが抑制される。その結果、良好な成層混合気塊８２を形成することができる。

なお、燃料噴射制御手段７２は、圧縮行程において、第１噴射時期と第２噴射時期とを含む複数の時期に燃料が噴射されるように燃料噴射弁４０を制御してもよい。この場合においては、燃料噴射制御手段７２は、圧縮行程における複数回噴射のうち最終噴射時期が第２噴射時期に相当するように燃料制御弁４０を制御することが好ましい。すなわち、燃料噴射制御手段７２は、圧縮行程における複数回噴射のうち最終噴射時期に噴射された燃料噴霧がピストン１８の頂面３６に衝突するように燃料噴射弁４０を制御することが好ましい。この場合においても、最終噴射時期に噴射された燃料噴霧８０は、第１噴射時期に噴射されて形成された成層混合気塊８２の吸気ポート２４側の外周部にあたり、成層混合気塊８２と一体となって旋回する。それにより、良好な成層混合気塊８２を形成することができることから、成層混合気塊８２の一部が吸気ポート２４側に拡散することにより生じる、未燃ＨＣ排出、燃費悪化等を抑制することができる。

（変形例１）
また、ピストン１８は、頂面３６にキャビティをさらに有してもよい。図５は、実施例１の変形例１に係る筒内噴射式火花点火内燃機関１００ａの全体構成を示す模式図である。図５に示す筒内噴射式火花点火内燃機関１００ａは、機関本体１０の代わりに機関本体１０ａを備える点において、図２に示す筒内噴射式火花点火内燃機関１００と異なる。図５に示す機関本体１０ａは、ピストン１８の代わりにピストン１８ａを備える点において、図２に示す機関本体１０と異なる。図５に示すピストン１８ａは、ピストン１８ａの排気側キャビティ３４の外であって吸気ポート２４側の頂面３６に形成された吸気側キャビティ３５をさらに有する点において、図２に示すピストン１８と異なる。その他の構成は、図２に示す筒内噴射式火花点火内燃機関１００と同じため、説明を省略する。

図６は、圧縮行程において、第２噴射時期に燃料が噴射された場合における機関本体１０ａを示す模式的断面図である。図６に示すように、第２噴射時期に噴射された燃料噴霧８０は、吸気側キャビティ３５の内壁に衝突する。その後、第２噴射時期に噴射された燃料噴霧８０は、燃焼室２０の吸気ポート２４側から排気ポート２８側へ向かう方向へ吸気側キャビティ３５の内壁に沿って移動し、第１噴射時期に噴射されて形成された成層混合気塊８２の吸気ポート２４側の外周部にあたり、成層混合気塊８２と一体となって旋回する。

つまり、吸気側キャビティ３５は、圧縮行程において第２噴射時期に噴射された燃料噴霧８０の移動方向を、第１噴射時期に形成された成層混合気塊８２の吸気ポート２４側の外周部へ向かう方向に集約させる機能を有する。吸気側キャビティ３５の形状は、第２噴射時期に噴射された燃料噴霧８０の移動方向を第１噴射時期に形成された成層混合気塊８２の吸気ポート２４側の外周部に向かう方向に集約させることができるものであれば特に限定されない。本実施例においては、吸気側キャビティ３５は、燃焼室２０の吸気ポート２４側に偏倚した位置に中心点を持つ円弧形状を有している。

本変形例１に係る筒内噴射式火花点火内燃機関１００ａにおいても、第２噴射時期に噴射された燃料噴霧８０により、第１噴射時期に噴射されて形成された成層混合気塊８２の一部が吸気ポート２４側に拡散することが抑制される。それにより、良好な成層混合気塊８２を形成することができる。さらに、本変形例１に係る筒内噴射式火花点火内燃機関１００ａによれば、吸気側キャビティ３５を有することから、第２噴射時期に噴射された燃料噴霧８０の移動方向は、成層混合気塊８２の吸気ポート２４側の外周部へ向かう方向に集約される。それにより、一定方向に集約された燃料噴霧８０が成層混合気塊８２の吸気ポート２４側の外周部にあたることから、成層混合気塊８２の旋回強度は吸気側キャビティ３５を有しない場合に比較して、増加する。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかか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。

本発明の従来例１に係る筒内噴射式火花点火内燃機関の圧縮行程において燃料が噴射された場合における機関本体を示す模式的断面図である。 本発明の第１実施例に係る筒内噴射式火花点火内燃機関の全体構成を示す模式図である。 第１実施例に係る筒内噴射式火花点火内燃機関の圧縮行程において燃料が噴射された場合における機関本体を示す模式的断面図である。 第１実施例に係るＥＣＵの圧縮行程における動作の一例を示すフローチャートである。 第１実施例の変形例１に係る筒内噴射式火花点火内燃機関の全体構成を示す模式図である。 変形例１に係る筒内噴射式火花点火内燃機関の圧縮行程において燃料が噴射された場合における機関本体を示す模式的断面図である。

符号の説明

１０ 機関本体
１２ 気筒
１８ ピストン
２０ 燃焼室
２４ 吸気ポート
２８ 排気ポート
３４ 排気側キャビティ
３５ 吸気側キャビティ
３６，３８ 頂面
４０ 燃料噴射弁
５０ クランク角度センサ
６０ 燃料タンク
７０ ＥＣＵ
７２ 燃料噴射制御手段
８０ 燃料噴霧
８２ 成層混合気塊
１００ 筒内噴射式火花点火内燃機関

Claims (2)

1. 吸気ポートと排気ポートとを有する燃焼室と、頂面において排気ポート側に偏倚した位置に形成された排気側キャビティを有するピストンと、前記燃焼室のうち吸気ポート側に設けられ、前記燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁から燃料が噴射されるように前記燃料噴射弁を制御する燃料噴射制御手段と、を備えた筒内噴射式火花点火内燃機関であって、
   前記燃料噴射制御手段は、圧縮行程において、噴射された燃料噴霧が前記燃焼室の排気ポート側から吸気ポート側へ向かう方向へ前記排気側キャビティの内壁に沿って縦方向に旋回する成層混合気塊となる第１噴射時期と、
   前記第１噴射時期よりも遅く、かつ噴射された燃料噴霧が前記ピストンの前記排気側キャビティの外であって吸気ポート側の頂面に衝突した後、前記燃焼室の吸気ポート側から排気ポート側へ向かう方向へ移動し、前記第１噴射時期に噴射されて形成された前記成層混合気塊の吸気ポート側の外周部にあたり、前記成層混合気塊と一体となって旋回する第２噴射時期と、に前記燃料噴射弁を制御することを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
2. 前記ピストンは、前記ピストンの前記排気側キャビティの外であって吸気ポート側の頂面に形成された吸気側キャビティをさらに有し、
   前記第２噴射時期に噴射された燃料噴霧は、前記吸気側キャビティの内壁に衝突した後、前記燃焼室の吸気ポート側から排気ポート側へ向かう方向へ前記吸気側キャビティの内壁に沿って移動し、前記第１噴射時期に噴射されて形成された前記成層混合気塊の吸気ポート側の外周部にあたり、前記成層混合気塊と一体となって旋回することを特徴とする請求項１記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。

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