JP2009013962A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気行程において、ボアに付着する燃料の低減、燃焼が不安定な時期の発生の回避が可能となる筒内噴射型の内燃機関を提供する。
【解決手段】筒内に向けて燃料を噴射する筒内燃料噴射弁１１を備えた内燃機関であって、筒内燃料噴射弁１１から噴射された噴霧Ｆの進行方向を変更させ、及び／又は噴霧Ｆの微粒化を促進させるために、筒内燃料噴射弁１１の上下に設けられかつ噴霧Ｆを挟むように対向して設けられた第1及び第２の噴射口３１Ａ，３１Ｂと、これら第１及び第２の噴射口３１Ａ，３１Ｂと吸入ポート１４とをそれぞれ連通する第１及び第２の連通路３２Ａ、３２Ｂと、これら第１及び第２の連通路３２Ａ、３２Ｂを開閉する第１及び第２の電磁弁３３Ａ，３３Ｂとを含む、噴霧Ｆに衝突させるエア噴流を噴射するエア噴流噴射手段を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関に係り、特に、筒内噴射型の内燃機関に関する。

筒内へ直接燃料を噴射する筒内噴射型エンジン（例えば、特許文献１−３等参照）におけるインジェクタ（燃料噴射弁）としては、ホロコーン状の噴霧を噴射するスワールインジェクタ、扇状の噴霧（以下、ファン噴霧という）を噴射するスリットインジェクタ等が知られている。
特開平１０−３１８０１６号公報 特開平１１−３３６５８８号公報 特開２００５−３０３２１号公報

ところで、上記のファン噴霧では、ホロコーン状の噴霧に比べて強いペネトレーション（貫徹力）をもつため、吸気行程噴射時に、噴霧がピストンと衝突しない噴射時期にボアと衝突し、ボアに付着し、エンジンオイルに溶け込む燃料が増加しやすいという問題がある。また、ボアとピストンの境界に噴霧が衝突する噴射時期では、混合気の均質性が低下し、燃焼が不安定になりやすいという問題もある。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、ボアに付着する燃料の低減、燃焼が不安定な時期の発生の回避等が可能となる筒内噴射型の内燃機関を提供することにある。

本発明に係る内燃機関は、筒内に向けて燃料を噴射する筒内燃料噴射弁を備えた内燃機関であって、前記筒内燃料噴射弁から噴射された噴霧の進行方向を変更させ、及び／又は前記噴霧の微粒化を促進させるために、前記噴霧に衝突させるエア噴流を噴射するエア噴流噴射手段を備える、ことを特徴とする。
この構成によれば、エア噴流により噴霧の進行方向のコントロール及び／又は噴霧の微粒化が可能となり、その結果、ボアに付着する燃料の低減、燃焼が不安定な時期の発生の回避が可能となる。

上記構成において、前記エア噴流噴射手段は、前記筒内燃料噴射弁の上下に設けられかつ前記噴霧を挟むように対向して設けられた第1及び第２の噴射口と、これら第１及び第２の噴射口と吸入ポートとをそれぞれ連通する第１及び第２の連通路と、これら第１及び第２の連通路を開閉する第１及び第２の開閉弁とを含む、構成を採用できる。
この構成によれば、吸気行程において、第１及び第２の開閉弁を開閉すれば、第1及び第２の噴射口から任意にエア噴流を噴射させることができる。

上記構成において、前記エア噴流噴射手段は、前記筒内燃料噴射弁の上下に設けられかつ前記噴霧を挟むように対向して設けられた第1及び第２の噴射口と、エア供給用ポンプと、前記エア供給用ポンプと前記第1及び第２の噴射口とを連通する第１及び第２の連通路と、これら第１及び第２の連通路を開閉する第１及び第２の開閉弁とを含む、構成を採用できる。
この構成によれば、エア供給用ポンプを使用することにより、圧縮行程においても、第1及び第２の噴射口からエア噴流を噴射させることができる。

上記構成において、前記筒内燃料噴射弁とともに、前記第１及び第２の開閉弁を制御する制御手段をさらに有し、前記制御手段は、内燃機関の回転数を複数の回転数領域に分け、各回転数領域に応じた前記第１及び第２の開閉弁の制御を実行する、構成を採用できる。
この構成によれば、内燃機関の回転数に応じて噴霧の進行方向や噴霧の状態を最適化することができる。

上記構成において、前記制御手段は、吸気行程において前記筒内燃料噴射弁から噴霧を噴射する際に、比較的回転数の低い低回転数領域の場合には、前記噴霧の進行方向の変化が最大化するように前記第１及び第２の開閉弁を制御する、構成を採用できる。
この構成によれば、低回転数領域、すなわち、吸気ポートから流入する気流の流れが弱い領域で、噴霧の進行方向の変化が最大化することで、噴霧のぺネトレーションが低下し、噴霧がボアに付着しにくくなり、かつ、混合気の均質性を向上させることができる。

上記構成において、前記制御手段は、吸気行程において前記筒内燃料噴射弁から噴霧を噴射する際に、前記筒内燃料噴射弁からの噴霧の噴射時期を進角側に制御する中回転数領域の場合には、前記第１及び第２の開閉弁を制御して、前記噴霧がピストンと衝突しないように進行方向を変化させる、構成を採用できる。
この構成によれば、噴霧がピストンに衝突するのを抑制できるので、混合気の均質性が低下するのを抑制できる。

上記構成において、前記制御手段は、吸気行程において前記筒内燃料噴射弁から噴霧を噴射する際に、比較的回転数の高い高回転数領域の場合には、前記噴霧の微粒化を促進するべく、前記第１及び第２の開閉弁の双方を開放するように制御する、構成を採用できる。
この構成によれば、高回転数領域、すなわち、燃料の気化時間が短い領域において、噴霧の微粒化を促進することができる。

上記構成において、前記制御手段は、トルク最大となる噴射時期と燃焼が不安定となる噴射時期とが重なる領域では、分割噴射を行う、構成を採用できる。
この構成によれば、スモークの発生を抑制しつつ、ボアに付着する燃料を抑制できる。

上記構成において、前記第１及び第２の開閉弁を制御する制御手段をさらに有し、前記制御手段は、内燃機関の始動時の圧縮行程において前記筒内燃料噴射弁から噴霧を噴射するとともに点火時期を大幅に遅角させた始動時大幅遅角制御の際に、ピストンに形成されたキャビティに前記噴霧が導かれるように、前記第１及び第２の開閉弁のうち上側の前記第１の開閉弁のみを開放させる、構成を採用できる。
この構成によれば、いわゆるウォールガイド式の筒内噴射型内燃機関において、触媒を早期に暖機するための始動時大幅遅角制御時に、ピストンに形成されたキャビティに噴霧を確実に導くことができるので、より効率良く触媒の暖機が可能となる。

上記構成において、前記第１及び第２の開閉弁を制御する制御手段をさらに有し、前記制御手段は、内燃機関の始動時の圧縮行程において前記筒内燃料噴射弁から噴霧を噴射するとともに点火時期を大幅に遅角させた始動時大幅遅角制御の際に、点火プラグに向けて前記噴霧が導かれるように、前記第１及び第２の開閉弁のうち下側の前記第２の開閉弁のみを開放させる、構成を採用できる。
この構成によれば、いわゆるスプレーガイド式の筒内噴射型内燃機関において、触媒を早期に暖機するための始動時大幅遅角制御時に、点火プラグ近傍に噴霧を確実に導くことができるので、より効率良く触媒の暖機が可能となる。

本発明によれば、吸気行程において、ボアに付着する燃料の低減、燃焼が不安定な時期の発生の回避が可能となる。
また、本発明によれば、触媒暖機のための始動時大幅遅角制御時に、燃料の噴霧のより適切な制御が可能となる。

以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の要部の構造を示す図である。
エンジン１０は、燃料であるガソリンを燃料噴射弁１１から燃焼室１２内に直接噴射し、点火プラグ１３によって着火させる型式のものである。燃焼室１２にそれぞれ臨む吸気ポート１４および排気ポート１５には、吸気ポート１４を開閉する吸気弁１７および排気ポート１５を開閉する排気弁１８を含む動弁機構が設けられている。燃焼室１２は、ボア２０に嵌合するピストン２１により画定されている。

燃料噴射弁１１は、例えば、ファン噴霧Ｆを噴射するスリットインジェクタで構成される。この燃料噴射弁１１は、その先端噴射部分が、燃焼室１２内に形成された配置されており、燃焼室１２内にタンブル流が発生するようにファン噴霧Fを噴射する。

上側噴射口３１Ａ及び下側噴射口３１Ｂは、凹部３０に臨むように形成され、かつ燃料噴射弁１１の上下に、燃料噴射弁１１から噴射される噴霧Ｆを挟むように対向して設けられている。
上側噴射口３１Ａ及び下側噴射口３１Ｂには、それぞれ上側連通路３２Ａ及び下側連通路３２Ｂが連通し、これら上側連通路３２Ａ及び下側連通路３２Ｂは、吸入ポート１４と連通している。
上側連通路３２Ａ及び下側連通路３２Ｂの途中には、開閉弁としての電磁弁３３Ａおよび電磁弁３３Ｂが設けられ、電磁弁３３Ａおよび電磁弁３３Ｂは、ＥＣＵ１００からの制御指令に応じて開閉する。尚、上側噴射口３１Ａ及び下側噴射口３１Ｂ、上側連通路３２Ａ及び下側連通路３２Ｂ、電磁弁３３Ａおよび電磁弁３３Ｂは、エア噴流噴射手段を構成している。

吸気ポート１４から燃焼室１２内に供給される空気は、燃料噴射弁１１から燃焼室１２内に噴射される燃料と混合気を形成し、点火プラグ１３の火花により着火して燃焼し、これによって生成する排気ガスが排気ポート１５を通じて排出され、図示しない排気管に設けられた三元触媒を通って大気中に排出される。

制御手段としてのＥＣＵ１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器、入力インタフェース、出力インタフェース等のハードウエアと所要のソフトウエアで構成され、エンジン１０を制御すると共に作動温度設定手段を構成する。具体的には、入力インタフェース等から各種信号を受け、出力インタフェースから電気配線を介して信号を、燃料噴射弁１１、図示しないイグニッションコイル、電磁弁３３Ａ，３３Ｂ等に出力して、これらの作動を制御するようになっており、燃料噴射弁１１の噴射時期は、エンジン１０の回転数等に応じて制御される。

次に、エンジン１０のＥＣＵ１００によるエア噴流制御の一例について図２に示すフローチャートを参照して説明する。尚、図２の処理は吸気行程において実行される。
先ず、エンジン１０の回転数を検出する（ステップＳ１）。エンジン１０の回転数を検出する理由は、エンジン１０の現在の回転数が、複数に分けられた低回転数領域（例えば、２０００ｒｐｍ以下）、中回転数領域（例えば、２０００ｒｐｍ以上４０００ｒｐｍ以下）及び高回転数領域（例えば、、４０００ｒｐｍ以上）のいずれの領域にあるかを判断するためである。

低回転数領域かを判断して（ステップＳ２）、低回転数領域には、燃料噴射弁１１から噴射される噴霧Ｆの進行方向の変化を最大化するべく、電磁弁３３Ａ，３３Ｂを例えば、図５（Ａ）に示すように制御する（ステップＳ３）。すなわち、電磁弁３３Ａ，３３Ｂを開閉する。電磁弁３３Ａ又は電磁弁３３Ｂを開放すると、吸気行程であるので、燃焼室１２は負圧になっていることから、上側噴射口３１Ａ又は下側噴射口３１Ｂからエア噴流が噴射される。これにより、噴霧Ｆの進行方向は、図１、図３及び図４に示すように３方向に変化する。この結果、噴霧Ｆのぺネトレーションが低下して、噴霧Ｆがボアに付着するのを抑制できる。

低回転数領域ではない場合には、中回転数領域か判断し（ステップＳ４）、中回転数領域の場合には、噴霧Ｆがピストン２１に衝突するのを抑制すべく、電磁弁３３Ａ，３３Ｂを例えば、図５（Ｂ）に示すように制御する。中回転数領域では、燃料噴射弁１１の噴射時期は、３００°ＢＴＤＣより進角側に制御されるので、図５に示すように、電磁弁３３Ｂのみを開閉することにより、噴霧Ｆの進行方向をピストン２１から離れる向き（上向き）にコントロールする。これにより、ピストン２１と噴霧Ｆとの衝突により、タンブル流を打ち消す流れが発生して燃焼不安定となるのを抑制でき、噴霧Ｆの均一性が低下するのを回避できる。

ステップＳ４において、中回転数領域でない場合には、高回転領域と判断し、噴霧Ｆの微粒化を促進するべく、電磁弁３３Ａ，３３Ｂの双方を開放するように制御する（ステップＳ６）。電磁弁３３Ａ，３３Ｂの双方を開くと、上側噴射口３１Ａ及び下側噴射口３１Ｂからエア噴流が噴霧Ｆへ噴射され、微粒化が促進される。すなわち、高回転領域では、吸気ポート１４からの気流は十分に強く、噴霧Ｆのボアへの付着や燃焼不安定な噴射時期の発生の問題はないが、燃料を気化させるための時間が短い。そこで、エア噴流により噴霧Ｆの微粒化を促進させることにより、短い時間で燃料を気化させることができる。

上記実施形態では、上側噴射口３１Ａ及び下側噴射口３１Ｂからエア噴流を噴霧Ｆへ向けて衝突させ、噴霧Ｆの進行方向を最適化したが、例えば、噴射時期についても最適化することができる。例えば、トルク最大（燃費最小）となる噴射時期と燃焼が不安定となる噴射時期とが重なる領域では、例えば、図６に示すように、噴射量を２分割して分割噴射を行う。これにより、進角側で全量を噴射した場合にはスモークが発生しやすくなり、遅角側で全量を噴射した場合にはボア付着燃料量が増加するが、分割噴射することにより、スモークの発生とボア付着燃料量の増加の双方を抑制できる。

図７は、本発明の他の実施形態に係る内燃機関の要部の構造を示す図である。尚、図７において、上記実施形態と同一構成部分については同一の符号を使用している。また、図７において、ＥＣＵ１００は図示を省略している。
図７に示すエンジン１０Ａでは、燃料噴射弁１１の上下に設けられかつ噴霧Ｆを挟むように対向して設けられた上側噴射口３１Ａと下側噴射口３１Ｂとが、上側連通路４２Ａと下側連通路４２Ｂとによりエア供給用ポンプ５０と連通している。上側連通路４２Ａと下側連通路４２Ｂには、電磁弁３３Ａ，３３Ｂがそれぞれ設けられている。他の構成については、上記実施形態と同一である。
本実施形態では、エア供給用ポンプ５０により、上側噴射口３１Ａと下側噴射口３１Ｂとからエア噴流を噴射するので、燃焼室１２内が正圧の場合にも、噴霧Ｆに対してエア噴流を衝突させてこれをコントロールすることができる。

図８は、図７に示したエンジンにおける始動時大幅遅角制御時の、ウォールガイド燃焼方式の場合のエア噴流の制御方法を説明するための図である。
エンジン１０Ａには、周知のように、排気系に排気ガスを浄化するための三元触媒を備えているが、三元触媒を活性化するには、暖機が必要である。三元触媒が暖機されていないと、エミッションが排出される。このため、エンジンの始動後できるだけ速やかな三元触媒の暖機が必要となる。
三元触媒を速やかに暖機する方法として、点火時期を大幅に遅角させることにより、排気ガスの温度をより高くして三元触媒に到達させる方法が知られている。

この始動時大幅遅角制御では、圧縮行程中に燃料を噴射する。例えば、図８に示すように、ピストン２１に形成されたキャビティＣＶを噴霧Ｆの流れのガイドに使用するいわゆるウォールガイド燃焼方式の場合には、圧縮行程中に噴射された燃料（噴霧Ｆ）がピストン２１に形成されたキャビティＣＶにできるだけ衝突したほうが、噴霧Ｆを点火プラグ１３付近に確実に導くことができる。
このため、本実施形態では、２つの電磁弁３３Ａ，３３Ｂのうち上側の電磁弁３３Ａのみを開放させて、噴霧Ｆの進行方向をピストン２１側に変える。これにより、図８に示すように、キャビティＣＶにガイドされた噴霧Ｆは、点火プラグ１３付近に確実に導かれ、燃焼性が高まる。

図９は、いわゆるスプレーガイド燃焼方式の場合の始動時大幅遅角制御を説明するための図である。
図９に示すように、圧縮行程中に燃料を噴射する際に、２つの電磁弁３３Ａ，３３Ｂのうち下側の電磁弁３３Ｂのみを開放させて、噴霧Ｆの進行方向を点火プラグ１３側に向ける。これにより噴霧Ｆが点火プラグ１３付近に確実に導かれ、燃焼性が高まる。

上記した種々の実施形態では、上側噴射口３１Ａと下側噴射口３１Ｂの２つの吐出口を設けたが、単一の吐出口でもよく、又、３以上の吐出口を設けることも可能である。また、吐出口の数に応じて電磁弁の数も増減できる。
上記実施形態では、低、中、高の回転数領域を設定したが、これに限定されるわけではなく、２段階とするなど適宜変更できる。
また、上記実施形態では、電磁弁の開閉制御についてのみ説明したが、エア噴流の流量制御を行うことも可能である。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の要部の構造を示す図である。 エア噴流制御の一例を示すフローチャートである。 噴霧の進行方向を下向きに変更した状態を示す図である。 噴霧の進行方向を上向きに変更した状態を示す図である。 （Ａ）は電磁弁の制御手順の一例、（Ｂ）は電磁弁の制御手順の他の例を示す図である。 分割噴射の一例を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る内燃機関の要部の構造を示す図である。 始動時大幅遅角制御時の、ウォールガイド燃焼方式の場合のエア噴流の制御方法を説明するための図である。 始動時大幅遅角制御時、スプレーガイド燃焼方式の場合のエア噴流の制御方法を説明するための図である。

符号の説明

１０…エンジン
１１…燃料噴射弁
１２…燃焼室
１３…点火プラグ
１４…吸気ポート
１５…排気ポート
１８…排気弁
２０…ボア
２１…ピストン
５０…ポンプ
Ｆ…噴霧

Claims (10)

1. 筒内に向けて燃料を噴射する筒内燃料噴射弁を備えた内燃機関であって、
   前記筒内燃料噴射弁から噴射された噴霧の進行方向を変更させ、及び／又は前記噴霧の微粒化を促進させるために、前記噴霧に衝突させるエア噴流を噴射するエア噴流噴射手段を備える、
   ことを特徴とする内燃機関。
2. 前記エア噴流噴射手段は、前記筒内燃料噴射弁の上下に設けられかつ前記噴霧を挟むように対向して設けられた第1及び第２の噴射口と、これら第１及び第２の噴射口と吸入ポートとをそれぞれ連通する第１及び第２の連通路と、これら第１及び第２の連通路を開閉する第１及び第２の開閉弁とを含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記エア噴流噴射手段は、前記筒内燃料噴射弁の上下に設けられかつ前記噴霧を挟むように対向して設けられた第1及び第２の噴射口と、エア供給用ポンプと、前記エア供給用ポンプと前記第1及び第２の噴射口とを連通する第１及び第２の連通路と、これら第１及び第２の連通路を開閉する第１及び第２の開閉弁とを含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
4. 前記筒内燃料噴射弁とともに、前記第１及び第２の開閉弁を制御する制御手段をさらに有し、
   前記制御手段は、内燃機関の回転数を複数の回転数領域に分け、各回転数領域に応じた前記第１及び第２の開閉弁の制御を実行する、
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関。
5. 前記制御手段は、吸気行程において前記筒内燃料噴射弁から噴霧を噴射する際に、比較的回転数の低い低回転数領域の場合には、前記噴霧の進行方向の変化が最大化するように前記第１及び第２の開閉弁を制御する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。
6. 前記制御手段は、吸気行程において前記筒内燃料噴射弁から噴霧を噴射する際に、前記筒内燃料噴射弁からの噴霧の噴射時期を進角側に制御するする中回転数領域の場合には、前記第１及び第２の開閉弁を制御して、前記噴霧がピストンと衝突しないように進行方向を変化させる、ことを特徴とする請求項４又は５に記載の内燃機関。
7. 前記制御手段は、吸気行程において前記筒内燃料噴射弁から噴霧を噴射する際に、比較的回転数の高い高回転数領域の場合には、前記噴霧の微粒化を促進するべく、前記第１及び第２の開閉弁の双方を開放するように制御する、ことを特徴とする請求項４ないし６のいずれかに記載の内燃機関。
8. 前記制御手段は、トルク最大となる噴射時期と燃焼が不安定となる噴射時期とが重なる領域では、分割噴射を行う、ことを特徴とする請求項４ないし７のいずれかに記載の内燃機関。
9. 前記第１及び第２の開閉弁を制御する制御手段をさらに有し、
   前記制御手段は、内燃機関の始動時の圧縮行程において前記筒内燃料噴射弁から噴霧を噴射するとともに点火時期を大幅に遅角させた始動時大幅遅角制御の際に、ピストンに形成されたキャビティに前記噴霧が導かれるように、前記第１及び第２の開閉弁のうち上側の前記第１の開閉弁のみを開放させる、ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
10. 前記第１及び第２の開閉弁を制御する制御手段をさらに有し、
    前記制御手段は、内燃機関の始動時の圧縮行程において前記筒内燃料噴射弁から噴霧を噴射するとともに点火時期を大幅に遅角させた始動時大幅遅角制御の際に、点火プラグに向けて前記噴霧が導かれるように、前記第１及び第２の開閉弁のうち下側の前記第２の開閉弁のみを開放させる、ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。

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