JP2009174440A

JP2009174440A - 筒内噴射式火花点火内燃機関

Info

Publication number: JP2009174440A
Application number: JP2008014634A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ashizawa; 剛芦澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-01-25
Filing date: 2008-01-25
Publication date: 2009-08-06

Abstract

【課題】機関高負荷時に良好な均質燃焼が実現可能な筒内噴射式火花点火内燃機関を提供する。
【解決手段】機関負荷が設定負荷以上である時の均質燃焼において、機関回転数が設定回転数以上である時には燃料噴射弁１から吸気下死点近傍において噴射される燃料によって吸気行程において気筒内に生成されたタンブル流Ｔを強め、機関回転数が設定回転数未満である時には燃料噴射弁から圧縮行程後半に噴射される燃料によって気筒内にタンブル流を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。

気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備する筒内噴射式火花点火内燃機関が公知である。このような筒内噴射式火花点火内燃機関において、機関高負荷時には吸気行程において燃料を噴射して均質燃焼を実施することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−３３９２１９特開２００１−２６３０６７特開平１０−２１２９６５

ところで、吸気行程で気筒内に生成されたタンブル流を圧縮行程末期の点火時期直前まで気筒内に持続させることができれば、ピストンにより押し潰すことにより点火時期において気筒内に強い乱れを発生させて燃焼速度の速い良好な均質燃焼を実現することができ、機関高負荷時において高い機関出力を得るのに有利となる。

しかしながら、吸気行程において気筒内に生成されるタンブル流はそれほど強いものではなく、圧縮行程前半には容易に消滅してしまう。それにより、燃料噴射方向を適当に選択することによって、吸気行程において噴射される燃料によりタンブル流を強めることが考えられる。こうして強められたタンブル流は、高回転時であれば、吸気行程から圧縮行程末期までの時間がそれほど長くならないために圧縮行程末期まで確実に気筒内に持続し、点火時期において気筒内に強い乱れを発生させることができる。

しかしながら、低回転時には、吸気行程から圧縮行程末期までの時間が長くなるためにタンブル流が噴射燃料により強められても大きく減衰して圧縮行程末期までには消滅し、点火時期において気筒内に乱れを発生させることができないことがある。

従って、本発明の目的は、機関高負荷時に良好な均質燃焼が実現可能な筒内噴射式火花点火内燃機関を提供することである。

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、機関負荷が設定負荷以上である時の均質燃焼において、機関回転数が設定回転数以上である時には燃料噴射弁から吸気下死点近傍において噴射される燃料によって吸気行程において気筒内に生成されたタンブル流を強め、機関回転数が前記設定回転数未満である時には前記燃料噴射弁から圧縮行程後半に噴射される燃料によって気筒内にタンブル流を生成することを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記設定負荷は全負荷近傍値であ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、機関負荷が設定負荷以上である時の均質燃焼において、機関回転数が設定回転数以上である時には燃料噴射弁から吸気下死点近傍において噴射される燃料によって吸気行程において気筒内に生成されたタンブル流を強めるようになっており、こうして強められたタンブル流は、高回転時であるために吸気下死点近傍から圧縮行程末期までの時間がそれほど長くなく、圧縮行程末期まで確実に気筒内に持続してピストンにより押し潰される。それにより、点火時期において気筒内には強い乱れを発生させることができる。こうして高回転高負荷時において高い機関出力を得るのに有利な良好な燃焼を実現することができる。

また、機関負荷が設定負荷以上である時の均質燃焼において、機関回転数が設定回転数未満である時には燃料噴射弁から圧縮行程後半に噴射される燃料によって気筒内にタンブル流を生成するようになっており、こうして生成されたタンブル流は、低回転時であっても圧縮行程後半から圧縮行程末期までの時間はそれほど長くないために、圧縮行程末期まで確実に気筒内に持続してピストンにより押し潰される。それにより、点火時期において気筒内には強い乱れを発生させることができる。こうして低回転高負荷時においても高い機関出力を得るのに有利な良好な燃焼を実現することができる。

本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、設定負荷は全負荷近傍値とされ、ノッキングが発生し易い機関高負荷時において、低回転時及び高回転時のいずれも点火時期に気筒内に強い乱れを発生させて燃焼速度が速められるために、ノッキングの発生を抑制することができる。

図１及び２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、図１は高回転高負荷時の吸気下死点近傍の燃料噴射時期を示し、図２は低回転高負荷時の圧縮行程後半の燃料噴射時期を示している。図３は図１の気筒内平面図である。図１及び２において、１は気筒上部周囲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は気筒上部略中心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。

燃料噴射弁１は、図３に実線で示すように、スリット状の噴孔を有して幅方向ｗに広がる略扇形状に燃料Ｆを噴射するか、又は、図３に一点鎖線で示すように、スリット噴孔に代えて噴孔列から噴射される複数の噴射燃料ｆによって全体として幅方向に広がる略扇形状に燃料を噴射するものである。燃料噴射弁１から噴射される燃料は、図１及び２に示すように、厚さ方向ｔにはそれほど広がらない。

図１及び３においてＰは気筒中心軸線を通る中心縦平面であり、本実施形態においては、二つの吸気ポート４と二つの排気ポート５との間に位置している。燃料噴射弁１は気筒上部周囲の二つの吸気ポート４の中間に位置しており、燃料噴射弁１から噴射される燃料の幅方向ｗは、気筒中心軸線に直交する横平面及び中心縦平面Ｐと略平行とされている。

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、約２０）。機関負荷が設定負荷以上の高負荷時においては、理論空燃比又はリッチ空燃比（例えば、約１２．５）での均質燃焼を実施するようにしても良い。

高負荷時においては、高い機関出力が必要とされるために、燃焼速度の速い燃焼を実現することが好ましい。そのためには、圧縮行程末期の点火時期において気筒内に強い乱れを存在させることが望まれている。また、各機関回転数の全負荷近傍においては、ノッキングが発生し易いが、こうして燃焼速度を速めれば、ノッキング発生を抑制することができる。

圧縮行程末期の点火時期において気筒内に強い乱れを存在させるためには、圧縮行程末期直前においてタンブル流をピストンにより押し潰すようにすれば良い。そのためには、圧縮行程末期までタンブル流を持続させなければならないが、吸気行程において例えば排気ポート５側を下降して吸気ポート４側を上昇するように気筒内に生成されたタンブル流は、それほど強いものではなく、そのままでは、圧縮行程前半において容易に消滅してしまう。

それにより、本実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関では、図１に示すように、燃料噴射弁１の燃料噴射方向を斜め下方向とし、吸気下死点近傍において、排気ポート側シリンダボアの上部と下部との間の略中央部へ向けて燃料を噴射するようにしている。

こうして、気筒内に生成されたタンブル流Ｔは、噴射燃料Ｆによって強められるために、機関回転数が設定回転数以上であれば吸気下死点近傍から圧縮行程末期までの時間がそれほど長くないために、圧縮行程末期まで確実に気筒内に維持され、ピストン３により押し潰されて気筒内に強い乱れを発生させることができる。

このような高回転高負荷時には、燃料噴射量は比較的多くなるが、殆どの噴射燃料は排気ポート側シリンダボアに到達するまでに気化及び微粒化されてタンブル流Ｔと共に気筒内を旋回し、吸気下死点近傍から点火時期までの時間で十分に気化することができる。こうして、高回転高負荷時において、高い機関出力を得るのに有利な良好な均質燃焼を実現することができる。

しかしながら、機関回転数が設定回転数未満の低回転高負荷時において、吸気下死点近傍に燃料を噴射すると、噴射燃料により強められたタンブル流は、吸気下死点近傍から圧縮行程末期までの時間が長くなるために、大きく減衰して圧縮行程末期には消滅し、点火時期において気筒内に乱れを発生させることができないことがある。

それにより、本実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関では、低回転高負荷時には、図２に示すように、燃料噴射時期を切り換えて、燃料噴射弁１が圧縮行程後半に燃料を噴射するようになっている。燃料噴射弁１から圧縮行程後半に噴射された燃料Ｆは、周りの吸気を引き連れてピストン３頂面に斜めに向かう。殆どの燃料は、ピストン３頂面へ衝突するまでに気化及び微粒化し、発生させた吸気流と共に、気筒内の排気ポート５側を上昇して吸気ポート４側を下降するタンブル流Ｔ’となる。

こうして生成されたタンブル流Ｔ’は、低回転時であっても圧縮行程後半から圧縮行程末期までの時間はそれほど長くないために、圧縮行程末期まで確実に気筒内に持続してピストン３により押し潰される。それにより、点火時期において気筒内には強い乱れを発生させることができる。こうして低回転高負荷時においても高い機関出力を得るのに有利な良好な均質燃焼を実現することができる。

本実施形態において、燃料噴射弁１から噴射される燃料は略扇形状としたが、燃料噴射弁１は、吸気下死点近傍における排気ポート側シリンダボアの略中央部へ向く噴孔を有して、燃料を円錐形状に噴射するものでも良い。また、燃料噴射弁１から噴射される燃料の貫徹力は、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して、吸気下死点近傍で噴射されれば気筒内に生成されたタンブル流Ｔを確実に強めるようにすると共に、圧縮行程後半で噴射されれば気筒内に新たなタンブル流Ｔ’を確実に生成するようにすることが好ましい。

図４及び５は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関のもう一つの実施形態を示す概略縦断面図であり、図４は高回転高負荷時の吸気下死点近傍の燃料噴射時期を示し、図５は低回転高負荷時の圧縮行程後半の燃料噴射時期を示している。前述の実施形態との違いについてのみ以下に説明する。

本実施形態の燃料噴射弁１’は、吸気下死点近傍における排気ポート５側シリンダボアの上部へ向けて燃料を噴射するものである。このような燃料噴射方向であっても、図４に示すように、高回転高負荷時に吸気下死点近傍において燃料が噴射されると、気筒内に生成されているタンブル流Ｔは、噴射燃料Ｆによって強められ、タンブル流Ｔを圧縮行程末期まで持続させることができる。

また、図５に示すように、低回転高負荷時に圧縮行程後半において燃料が噴射されると、噴射燃料Ｆは、周りの吸気を引き連れて排気ポート側シリンダボアの上部に向かい、殆どの燃料は、シリンダボアへ衝突するまでに気化及び微粒化し、発生させた吸気流と共に、気筒内の排気ポート５側を下降して吸気ポート４側を上昇するタンブル流Ｔ”となる。こうして生成されたタンブル流Ｔ”は、圧縮行程末期まで確実に気筒内に持続させることができる。

このように、図１から３に示す実施形態と同様に、本実施形態によれば、高回転高負荷時及び低回転高負荷時のいずれにおいても、高い機関出力を得るのに有利な良好な均質燃焼を実現することができる。

図６及び７は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関のさらにもう一つの実施形態を示す概略縦断面図であり、図６は高回転高負荷時の吸気下死点近傍の燃料噴射時期を示し、図７は低回転高負荷時の圧縮行程後半の燃料噴射時期を示している。図１から３に示す実施形態との違いについてのみ以下に説明する。

本実施形態において、燃料噴射弁１０は気筒上部略中心に配置されており、点火プラグ２０は気筒上部略中心の燃料噴射弁１０より吸気ポート４側に配置されている。本燃料噴射弁１０は、吸気下死点近傍における排気ポート５側ピストン頂面周囲部又は排気ポート５側シリンダボア下部へ向けて燃料を噴射するものである。このような燃料噴射方向であっても、図６に示すように、高回転高負荷時に吸気下死点近傍において燃料が噴射されると、気筒内に生成されているタンブル流Ｔは、噴射燃料Ｆによって強められ、タンブル流Ｔを圧縮行程末期まで持続させることができる。

また、図５に示すように、低回転高負荷時に圧縮行程後半において燃料が噴射されると、噴射燃料Ｆは、周りの吸気を引き連れてピストン頂面に斜めに向かい、殆どの燃料は、ピストン頂面へ衝突するまでに気化及び微粒化し、発生させた吸気流と共に、気筒内の排気ポート５側を上昇して吸気ポート４側を下降するタンブル流Ｔ’となる。こうして生成されたタンブル流Ｔ’は、圧縮行程末期まで確実に気筒内に持続させることができる。

これまで、機関負荷が設定負荷以上の高負荷時に関して説明したが、機関負荷が設定負荷未満の低負荷時においては、燃料噴射量が比較的少ないために、圧縮行程後半の燃料噴射によって気筒内に新たなタンブル流を生成することが好ましい。

しかしながら、これは本発明を限定するものではなく、いずれの時期に燃料が噴射されても良く、例えば、吸気下死点近傍において燃料が噴射されるようにして、機関低回転時にタンブル流が圧縮行程末期までに消滅しても、高い機関出力は必要とされていないために特に問題とはならない。また、高負荷時と同様に、機関回転数が設定回転数以上の時には吸気下死点において燃料を噴射し、機関回転数が設定回転数未満の時には圧縮行程後半において燃料を噴射するようにしても良い。

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り、高回転高負荷時の吸気下死点近傍の燃料噴射時期を示している。図１の筒内噴射式火花点火内燃機関における低回転高負荷時の圧縮行程後半の燃料噴射時期を示している。図１の筒内噴射式火花点火内燃機関の気筒内平面図である。本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関のもう一つの実施形態を示す概略縦断面図であり、高回転高負荷時の吸気下死点近傍の燃料噴射時期を示している。図４の筒内噴射式火花点火内燃機関における低回転高負荷時の圧縮行程後半の燃料噴射時期を示している。本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関のさらにもう一つの実施形態を示す概略縦断面図であり、高回転高負荷時の吸気下死点近傍の燃料噴射時期を示している。図６の筒内噴射式火花点火内燃機関における低回転高負荷時の圧縮行程後半の燃料噴射時期を示している。

符号の説明

１、１’、１０燃料噴射弁
２、２０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、Ｔ’、Ｔ” タンブル流

Claims

機関負荷が設定負荷以上である時の均質燃焼において、機関回転数が設定回転数以上である時には燃料噴射弁から吸気下死点近傍において噴射される燃料によって吸気行程において気筒内に生成されたタンブル流を強め、機関回転数が前記設定回転数未満である時には前記燃料噴射弁から圧縮行程後半に噴射される燃料によって気筒内にタンブル流を生成することを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
前記設定負荷は全負荷近傍値であ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。