JP2009150273A

JP2009150273A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2009150273A
Application number: JP2007327625A
Authority: JP
Inventors: Takashi Amano; 貴士天野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-12-19
Filing date: 2007-12-19
Publication date: 2009-07-09
Anticipated expiration: 2027-12-19
Also published as: JP4826578B2

Abstract

【課題】筒内に形成される空気流を強く維持する。
【解決手段】シリンダヘッド内壁面３ａの一側に中央吸気弁６ａ及び両端吸気弁６ｂを互いに並べて配置し、シリンダヘッド内壁面３ａの他側に排気弁８を配置する。これら吸気弁が開弁したときに吸気弁周りに形成される開口を介し燃焼室５内にそれぞれ流入した空気が排気弁下方のシリンダボア内壁面に沿いつつ下降し次いでピストン頂面４ａに沿いつつ進行した後に吸気弁下方のシリンダボア内壁面に沿いつつ上昇するようにする。中央吸気弁６ａの弁動作を両端吸気弁６ｂの弁動作と異ならせることにより中央吸気弁のリフト量が両端吸気弁のリフト量よりも小さくなっている期間が形成されるようにし、中央吸気弁のリフト量が両端吸気弁のリフト量よりも小さくなっている期間及びその直後を噴射許可期間に設定する。噴射許可期間中に燃料噴射を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関に関する。

シリンダヘッド内壁面の一側に３つの吸気弁を並べて配置すると共にシリンダヘッド内壁面の他側に排気弁を配置し、これら吸気弁が開弁したときに吸気弁周りに形成される開口を介し燃焼室内にそれぞれ流入した空気が排気弁下方のシリンダボア内壁面に沿いつつ下降し次いでピストン頂面に沿いつつ進行した後に吸気弁下方のシリンダボア内壁面に沿いつつ上昇するようにし、シリンダヘッド内壁面の前記一側に燃料噴射弁を配置して燃料噴射弁から燃焼室内の空気流に向けて燃料噴射を行うようにした内燃機関が公知である（特許文献１参照）。

特開平９−３１７５０５号公報

しかしながら、このように空気流に向けて燃料噴射を行うと、燃焼室内に流入した空気流に燃料流が衝突して空気流が弱められるおそれがあるという問題点がある。空気流が弱められると、燃料が空気と十分に混合できずに燃焼が悪化し、火炎伝播が弱くなるので冷間燃焼もしくはリーン燃焼が悪化し、又は燃焼速度が低下して高負荷時にノッキングが生じたりするおそれがある。

本発明によれば、シリンダヘッド内壁面の一側に３つの吸気弁を互いに並べて配置すると共にシリンダヘッド内壁面の他側に排気弁を配置し、これら吸気弁が開弁したときに吸気弁周りに形成される開口を介し燃焼室内にそれぞれ流入した空気が排気弁下方のシリンダボア内壁面に沿いつつ下降し次いでピストン頂面に沿いつつ進行した後に吸気弁下方のシリンダボア内壁面に沿いつつ上昇するようにし、シリンダヘッド内壁面のほぼ中央に燃料噴射弁を配置して該燃料噴射弁から前記排気弁下方のシリンダボア内壁面に向けて燃料噴射を行うようにした内燃機関において、前記３つの吸気弁のうち中央に配置された中央吸気弁の弁動作を該中央吸気弁の両側にそれぞれ配置された両端吸気弁の弁動作と異ならせることにより中央吸気弁のリフト量が両端吸気弁のリフト量よりも小さくなっている期間が形成されるようにし、該中央吸気弁のリフト量が両端吸気弁のリフト量よりも小さくなっている期間及びその直後を噴射許可期間に設定し、該噴射許可期間中に燃料噴射を行うようにしている。

筒内に形成される空気流を強く維持することができる。

図１及び図２を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は３つの吸気弁、７は吸気ポート、８は２つの排気弁、９は排気ポート、１０は燃料噴射弁、１１は点火栓をそれぞれ示す。

本発明による実施例では特に図２に示されるように、３つの吸気弁６がシリンダヘッド内壁面３ａの一側周辺部に互いに並べて配置され、２つの排気弁８がシリンダヘッド内壁面３ａの他側周辺部に互いに並べて配置される。この場合、これら吸気弁６のうち中央に配置された吸気弁である中央吸気弁６ａはシリンダ中心軸線を通って拡がる中心面Ｌ−Ｌ上に配置され、中央吸気弁６ａの両側にそれぞれ配置された両端吸気弁６ｂは中心面Ｌ−Ｌに関し対称的に配置される。また、排気弁８も中心面Ｌ−Ｌに関し対称的に配置される。更に、燃料噴射弁１０及び点火栓１１はシリンダヘッド内壁面３ａのほぼ中央に配置される。

図３に示されるように、吸気弁６が開弁されるとこれら吸気弁６周りにそれぞれ開口Ｐが形成され、これら開口Ｐを介し吸気ポート７から燃焼室５内に空気が流入する。これら空気は次いで排気弁８下方のシリンダボア内壁面５ａに沿いつつ下降し、次いでピストン頂面４ａに沿いつつ進行した後に、吸気弁６下方のシリンダボア内壁面５ｂに沿いつつ上昇する。このようにして燃焼室５内に、シリンダ軸線にほぼ垂直な軸線回りに旋回する空気流Ｔ、すなわちいわゆるタンブル流が形成される。

一方、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように、燃料噴射弁１０から排気弁下方のシリンダボア内壁面５ａに向けて燃料Ｆが噴射される。この場合、特に図４（Ｂ）からわかるように、燃料Ｆの大部分は中央空気弁６ａを通過した空気流が流通しうる領域内に噴射される。燃料Ｆは上述したタンブル流Ｔによって拡散混合され、斯くして燃焼室５内にほぼ均質な混合気が形成される。この混合気は次いで点火栓１１により着火され、燃焼される。

この場合、燃料Ｆによってタンブル流Ｔが弱められないように燃料噴射を行う必要がある。

そこで本発明による実施例では、中央吸気弁６ａの弁動作を両端吸気弁６ｂの弁動作と異ならせることにより中央吸気弁６ａのリフト量が両端吸気弁６ｂのリフト量よりも小さくなっている期間が形成されるようにし、中央吸気弁６ａのリフト量が両端吸気弁６ｂのリフト量よりも小さくなっている期間及びその直後を噴射許可期間に設定し、この噴射許可期間中に燃料噴射を行うようにしている。

すなわち、中央吸気弁６ａのリフト量が両端吸気弁６ｂのリフト量よりも小さくなっている期間又はその直後では、中央吸気弁６ａを通過して燃焼室５内に流入した空気流の流速が比較的低くなっている。このため、このとき燃料噴射を行えば、燃料流と空気流との干渉を抑制できることになる。一方、このとき両端吸気弁６ｂを通過して燃焼室５内に流入した空気の流速は比較的高く、したがって燃焼室５内に強力なタンブル流Ｔが形成される。その結果、燃料と空気とが十分に混合され、良好な燃焼を得ることができる。

これを可能にする本発明による種々の実施例を図５から図１１を参照しながら説明する。なお、これら図５から図１１において、曲線Ａは中央吸気弁６ａのリフト量を、曲線Ｂは両端吸気弁６ｂのリフト量を、それぞれ表している。

図５は、中央吸気弁６ａの開弁時期が両端吸気弁６ｂの開弁時期よりも早くされており、開弁期間及び最大リフト量は互いにほぼ等しくされている例を示している。この例では、中央吸気弁６ａのリフト量が両端吸気弁６ｂのリフト量よりも小さくなっている期間及びその直後、すなわち中央吸気弁６ａのリフト量と両端吸気弁６ｂのリフト量とが互いにほぼ等しくなる時点から、中央吸気弁６ａの閉弁直後までの期間が噴射許可期間にあらかじめ設定されている。その上で、この噴射許可期間中に燃料噴射が行われる。

このようにすると、図６にＸで示されるように圧縮上死点（ＴＤＣ）付近まで、すなわち点火が行われる期間ＩＧ付近まで、強いタンブル流を維持することができる。これに対し、図７に示されるように中央吸気弁６ａ及び両端吸気弁６ｂの弁動作を互いにほぼ等しくして燃料噴射を行うと、図６にＺで示されるようにタンブル流が弱められ、特に図６のＹで示される場合よりも弱められている。図６のＹは燃料噴射を行わないモータリング状態の場合を示しており、そうすると図７の例では燃料噴射によってタンブル流が弱められているということがわかる。

図５の例を変更して、図８（Ａ）に示されるように中央吸気弁６ａの開弁期間を両端吸気弁６ｂの開弁期間よりも長くしてもよいし、図８（Ｂ）に示されるように短くしてもよい。なお、図８（Ａ）の例において、中央吸気弁６ａの閉弁時期と両端吸気弁６ｂの閉弁時期とが同じである必要はない。

あるいは、図５の例を変更して、図９（Ａ）に示されるように中央吸気弁６ａの最大リフト量を両端吸気弁６ｂの最大リフト量よりも大きくしてもよいし、図９（Ｂ）に示されるように小さくしてもよい。更に、図９（Ａ）及び９（Ｂ）の例において、中央吸気弁６ａの開弁期間を両端吸気弁６ｂの開弁期間よりも長くしてもよいし短くしてもよい。

図１０は、中央吸気弁６ａの開弁時期及び開弁期間が両端吸気弁６ｂの開弁時期及び開弁期間とほぼ等しくされており、中央吸気弁６ａの最大リフト量が両端吸気弁６ｂの最大リフト量よりも小さくされている例を示している。この例では、中央吸気弁６ａのリフト量が両端吸気弁６ｂのリフト量よりも小さくなっている期間でかつ中央吸気弁６ａの開弁期間後半及びその直後が噴射許可期間にあらかじめ設定されている。その上で、この噴射許可期間中に燃料噴射が行われる。中央吸気弁６ａの開弁期間後半では中央吸気弁６ａを通過した空気流の流速が低下し始めているので、このとき燃料噴射を行えば燃料流と空気流との干渉を抑制することができる。なお、図１０の例において、中央吸気弁６ａの開弁期間は両端吸気弁６ｂの開弁期間以下であるのが好ましい。

図１１は、中央吸気弁６ａの開弁時期が両端吸気弁６ｂの開弁時期よりも遅くされており、中央吸気弁６ａの開弁期間が両端吸気弁６ｂの開弁期間よりも短くされており、中央吸気弁６ａの最大リフト量が両端吸気弁６ｂの最大リフト量とほぼ等しくされている例を示している。この例でも、中央吸気弁６ａのリフト量が両端吸気弁６ｂのリフト量よりも小さくなっている期間でかつ中央吸気弁６ａの開弁期間後半及びその直後が噴射許可期間にあらかじめ設定されている。なお、中央吸気弁６ａの最大リフト量を両端吸気弁６ｂの最大リフト量よりも大きくしてもよいし小さくしてもよい。

これまで述べてきた本発明による実施例又は変更例では、燃料噴射が１回だけ行われる。しかしながら、燃料噴射を噴射許可期間中に複数回に分割して行うようにしてもよい。このようにすると、分割された燃料噴射１回当たりの燃料量を低減できるので、燃料流と空気流との干渉を低減することができる。また、燃料と空気との混合を促進することもできる。

このような分割噴射は上述した本発明による実施例又は変更例に適用することができる。

図１２は図５に示される例に分割噴射を適用した場合を示している。この例では、燃料噴射が２回にほぼ等分される。なお、分割噴射回数は３回以上でもよく、分割された各燃料噴射における燃料噴射量はほぼ等分である必要はない。

図１３は図１０に示される例に分割噴射を適用した場合を示している。この例では、中央吸気弁６ａのリフト量が両端吸気弁６ｂのリフト量よりも小さくなっている期間及びその直後が噴射許可期間に設定される。その上で、中央吸気弁６ａの開弁期間前半に１回目の燃料噴射が行われ、中央吸気弁６ａの開弁期間後半又はその直後に２回目の燃料噴射が行われる。

図１４は図１１に示される例に分割噴射を適用した場合を示している。この例でも、中央吸気弁６ａのリフト量が両端吸気弁６ｂのリフト量よりも小さくなっている期間及びその直後が噴射許可期間に設定される。その上で、中央吸気弁６ａの開弁期間前半に１回目の燃料噴射が行われ、中央吸気弁６ａの開弁期間後半又はその直後に２回目の燃料噴射が行われる。

図１３及び図１４に示されるように中央吸気弁６ａの開弁期間前半に燃料噴射を行うと、燃料と空気との混合を更に促進することができる。

内燃機関の縦断面図である。シリンダヘッド内壁面の平面図である。タンブル流を説明するための図である。燃料噴射を説明するための図である。本発明による実施例を示すタイムチャートである。実験結果を示すタイムチャートである。好ましくない例を示すタイムチャートである。本発明による実施例の変更例を示すタイムチャートである。本発明による実施例の変更例を示すタイムチャートである。本発明による実施例の変更例を示すタイムチャートである。本発明による実施例の変更例を示すタイムチャートである。本発明による実施例の変更例を示すタイムチャートである。本発明による実施例の変更例を示すタイムチャートである。本発明による実施例の変更例を示すタイムチャートである。

符号の説明

１機関本体
３ａシリンダブロック内壁面
４ａピストン頂面
５燃焼室
５ａ，５ｂシリンダボア内壁面
６ａ中央吸気弁
６ｂ両端吸気弁
８排気弁
１０燃料噴射弁

Claims

シリンダヘッド内壁面の一側に３つの吸気弁を互いに並べて配置すると共にシリンダヘッド内壁面の他側に排気弁を配置し、これら吸気弁が開弁したときに吸気弁周りに形成される開口を介し燃焼室内にそれぞれ流入した空気が排気弁下方のシリンダボア内壁面に沿いつつ下降し次いでピストン頂面に沿いつつ進行した後に吸気弁下方のシリンダボア内壁面に沿いつつ上昇するようにし、シリンダヘッド内壁面のほぼ中央に燃料噴射弁を配置して該燃料噴射弁から前記排気弁下方のシリンダボア内壁面に向けて燃料噴射を行うようにした内燃機関において、前記３つの吸気弁のうち中央に配置された中央吸気弁の弁動作を該中央吸気弁の両側にそれぞれ配置された両端吸気弁の弁動作と異ならせることにより中央吸気弁のリフト量が両端吸気弁のリフト量よりも小さくなっている期間が形成されるようにし、該中央吸気弁のリフト量が両端吸気弁のリフト量よりも小さくなっている期間及びその直後を噴射許可期間に設定し、該噴射許可期間中に燃料噴射を行うようにした内燃機関。
前記中央吸気弁のリフト量が両端吸気弁のリフト量よりも小さくなっている期間でかつ該中央吸気弁の開弁期間後半及びその直後を噴射許可期間に設定する請求項１に記載の内燃機関。
前記中央吸気弁の開弁時期又は閉弁時期を前記両端吸気弁の開弁時期又は閉弁時期と異ならせることにより前記中央吸気弁のリフト量が両端吸気弁のリフト量よりも小さくなっている期間が形成されるようにした請求項１又は２に記載の内燃機関。
前記中央吸気弁の開弁期間を前記両端吸気弁の開弁期間と異ならせることにより前記中央吸気弁のリフト量が両端吸気弁のリフト量よりも小さくなっている期間が形成されるようにした請求項１又は２に記載の内燃機関。
前記中央吸気弁の最大リフト量を前記両端吸気弁の最大リフト量と異ならせることにより前記中央吸気弁のリフト量が両端吸気弁のリフト量よりも小さくなっている期間が形成されるようにした請求項１又は２に記載の内燃機関。
前記燃料噴射を前記噴射許可期間中に複数回に分割して行うようにした請求項１から５までのいずれか一項に記載の内燃機関。
分割された燃料噴射のうち少なくとも１回を前記噴射許可期間のうち前記中央吸気弁の開弁期間前半に行い、分割された燃料噴射のうち少なくとも１回を前記噴射許可期間のうち前記中央吸気弁の開弁期間後半又はその直後に行うようにした請求項６に記載の内燃機関。