JP2009191648A

JP2009191648A - 筒内噴射式火花点火内燃機関

Info

Publication number: JP2009191648A
Application number: JP2008030791A
Authority: JP
Inventors: Hisato Hirooka; 久人広岡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-02-12
Filing date: 2008-02-12
Publication date: 2009-08-27

Abstract

【課題】機関回転数に依らず、良好な均質度の混合気を形成することが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】燃焼室５内に配置されたピストン４と、燃焼室上部に配置された点火プラグ１０と、燃焼室上部に配置された２つの吸気弁６と、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁１１とを具備する筒内噴射式火花点火内燃機関において、ピストンの中心軸線に対して垂直な平面と燃料噴射弁からの燃料噴射の噴射中心軸線とが成す角度である噴射中心軸線角Ｖを、機関回転数に応じて制御する噴射中心軸線角制御手段を更に具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。

均質燃焼を行う内燃機関において、燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタを備え、最大リフト状態にある降下した吸気弁の弁傘部の上方空間に向かって、吸気弁と干渉しないように燃料を噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関が公知である（特許文献１参照）。この内燃機関によれば、噴射された燃料が吸気弁の弁傘部の上方空間通過時に高速の吸気流によって燃焼室内に速やかに導入され、それにより燃焼室内で燃料の気化・ミキシングが促進され、混合気の均質化が促進され、燃焼速度が向上して良好な燃焼が得られる。

特開２００５−２５６６２９号公報

燃料を吸気弁の弁傘部の上方空間に向かって噴射するということは、それによって燃焼室内には噴霧された燃料のタンブル流が形成される。機関回転数が低い場合には、タンブル流がピストンの上昇と共に拡散し、点火直前に良好な均質度の混合気が形成される。しかし、機関回転数が高い場合には、ピストンの上昇速度も早くなり、タンブル流が十分拡散する前に点火時期が来てしまうため、逆に燃料に偏りが生じ、良好な均質度の混合気が形成されないという問題がある。

そこで本発明は上記問題に鑑み、機関回転数に依らず、良好な均質度の混合気を形成することが可能な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。

請求項１に記載の発明によれば、燃焼室内に配置されたピストンと、燃焼室上部に配置された点火プラグと、燃焼室上部に配置された２つの吸気弁と、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁とを具備する筒内噴射式火花点火内燃機関において、ピストンの中心軸線に対して垂直な平面と燃料噴射弁からの燃料噴射の噴射中心軸線とが成す角度である噴射中心軸線角を、機関回転数に応じて制御する噴射中心軸線角制御手段を更に具備する筒内噴射式火花点火内燃機関が提供される。即ち、請求項１に記載の発明では、機関回転数に応じて噴射中心軸線角を制御することが可能になり、或る機関回転数で最適な噴射中心軸線角で燃料を噴射することで、良好な均質度の混合気を形成することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば請求項１に記載の発明において、前記噴射中心軸線角制御手段が、機関回転数が高いほど前記噴射中心軸線がピストンの中心軸線に近づくように前記噴射中心軸線角を制御する筒内噴射式火花点火内燃機関が提供される。即ち、請求項２に記載の発明では、機関回転数が高いほど噴射中心軸線がピストンの中心軸線に近づくように、即ち、噴射中心軸線角が大きくなるように制御することによって、低回転領域においては噴霧された燃料がタンブル流を形成し、点火直前に良好な均質度の混合気が形成され、機関回転数が高くなるにつれタンブル流を形成させずに燃料の拡散を促し、点火直前に良好な均質度の混合気が形成されるようになる。

また、請求項３に記載の発明によれば請求項２に記載の発明において、前記噴射中心軸線と２つの吸気弁それぞれとの距離が等しくなるように燃料噴射弁が配置され、前記噴射中心軸線角制御手段が、機関回転数が予め定められた回転数未満のときに、噴射された燃料が吸気行程中リフト状態にある吸気弁と干渉し、燃料噴霧が偏向されて前記２つの吸気弁の間を通過するように前記噴射中心軸線角を制御する筒内噴射式火花点火内燃機関が提供される。即ち、請求項３に記載の発明では、噴射された燃料が吸気弁と干渉し、燃料噴霧が偏向されることで吸気弁の間を集中しながら通過することによって、流速が増し、貫徹力が大きくなり、より安定したタンブル流が形成される。それにより点火直前により良好な均質度の混合気が形成されるという効果を奏する。

また、請求項４に記載の発明によれば請求項１から３のいずれか１つに記載の発明において、燃料噴射弁が燃料の噴射口を形成する縁部の一部が湾曲面を具備し、前記噴射中心軸線角制御手段が、燃料の流れを偏向させ、前記湾曲面に沿って流すことによって前記噴射中心軸線角を制御する筒内噴射式火花点火内燃機関が提供される。即ち、請求項４に記載の発明では、燃料の流れを偏向させることによって、湾曲面に沿って流れるようになるため、複雑な機構を必要とせずに、噴射中心軸線角の制御を実現することが可能となる。

各請求項に記載の発明によれば、回転領域に依らず、良好な均質度の混合気を形成し、燃焼速度を向上させて良好な燃焼が得られるという共通の効果を奏する。

図１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る。図１を参照すると、１は例えば四つの気筒を備えた機関本体、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は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポート、１０は点火プラグ、１１は燃料噴射弁をそれぞれ示す。本実施形態において、吸気弁６は隣接して２つ配置され、同様に排気弁９も隣接して２つ配置されている。

電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５及び出力ポート３６を具備する。図示しない温度センサやエアフローメータ等の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。

アクセルペダル３９にはアクセルペダル３９の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４０が接続され、負荷センサ４０の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４１が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して点火プラグ１０及び燃料噴射弁１１等に接続され、これらは電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０からの出力信号に基づいて制御される。

図２は、噴射中心軸線角Ｖを説明するための筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。２０は、ピストンの中心軸線であるピストン軸線に対して垂直な平面を表す。そして、噴射された燃料の噴射形状の幾何学中心を噴射中心軸線２１と称し、噴射中心軸線２１と平面２０とが成す角度を噴射中心軸線角Ｖと称する。更に、噴射中心軸線２１が噴射中心軸線角Ｖに依らず２つの吸気弁６それぞれとの距離が等しくなるように、燃料噴射弁１１の配置位置が決定される。

本発明によれば、燃料噴射は吸気行程中に行われ、機関回転数が低いほど噴射中心軸線角Ｖが小さく、機関回転数が高いほど噴射中心軸線角Ｖが大きく制御される。即ち、機関回転数が低い場合、燃料は吸気弁６と干渉するように噴射され、機関回転数が高い場合、燃料は吸気弁６と干渉しないように噴射される。ここで、図２から明らかなように、噴射中心軸線角Ｖを大きくするとは、噴射中心軸線２１をピストン軸線に対してより平行に近づけることをいう。以下、このように制御する理由及び方法について説明する。

図３は、機関回転数が低い場合、即ち、噴射中心軸線角Ｖが小さい状態（例えば図２における角度ＶＬ）で噴射された燃料の挙動を表すための筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。小さい噴射中心軸線角Ｖで噴射された燃料は、図３に示すようにタンブル流２２を形成する。そして、上述したように、タンブル流２２がピストンの上昇と共に拡散し、点火直前に良好な均質度の混合気が形成される。

図４は、図３に示されるようなタンブル流２２が形成される燃料噴射の様子を、ピストン軸線方向の視点から見た概略図である。図４を参照すると、２つの吸気弁の間に向かって噴射された燃料の噴霧が吸気弁６と干渉することによって、噴霧角θが燃料噴射弁１１から噴射された直後の燃料噴射角αに比べて小さくなっていることが分かる。ここで燃料噴射角αとは、燃料噴射弁１１の噴射口の構造により決定される噴射口近傍における略一定な燃料の広がりの角度をいい、噴霧角θとは、吸気弁６近傍において燃料噴射弁１１の噴射口を中心とした燃料の噴霧の広がりの角度をいう。

燃料噴霧２３が２つの吸気弁６と干渉することによって、その間を通過する噴霧の流れが偏向され（噴霧角θが小さくされ）、集中し、流速が大きくなる。それによって噴霧の貫徹力（ペネトレーション）が大きくなることから、より安定したタンブル流２２が形成される。噴霧全体としては、図４に示されるように噴射中心軸線２１方向に長軸を有する楕円形状の広がりを示す。

それに対して、図５は、図４と同様の視点における、機関回転数が高い場合、即ち、噴射中心軸線角Ｖが大きい状態（例えば図２における角度ＶＨ）で噴射された燃料の様子を示す概略図である。この場合、噴射中心軸線角Ｖが大きいため、図４に示されるように、燃料噴霧２３が吸気弁６と干渉することはない。従って、噴霧角θは、図４における噴霧角θや燃料噴射角αよりも大きくなり、噴霧の貫徹力（ペネトレーション）は図４に示される場合よりも小さくなる。従って、噴霧全体としては、図４とは逆に、噴射中心軸線２１方向に短軸を有する楕円形状の広がりを示す。

そして、噴射中心軸線角Ｖが大きいためタンブル流は形成され難く、噴霧角θが大きいため燃料が拡散しやすく、良好な混合気が形成されやすくなる。更に、噴射中心軸線角Ｖが大きいため、噴射された燃料は高熱のピストン２の頂面に当たって蒸発し、更に混合が促進されるという効果を奏する。

燃料噴霧２３を吸気弁６と干渉させるか否かや噴射燃料の何％を吸気弁６と干渉させるか、即ち、機関回転数と噴射中心軸線Ｖとの関係は、タンブル流２２の形成と混合気の均質度や燃焼速度等から最適な値を予め実験や計算によって求めておく。

図６は、噴射中心軸線角Ｖを変更するための、１番目の実施形態による燃料噴射弁１１の概略縦断面図である。本実施形態による燃料噴射弁１１は、燃料が噴射される噴射口２４を形成する縁部の一部が湾曲面２５を備え、噴射される燃料の一部が通るために形成されたバイパス通路２６と、バイパス通路２６を遮断するためのニードル２７とを有していることを特徴とする。

図６（Ａ）に示される燃料噴射弁１１は、その中心軸線と噴射中心軸線２１とが略一致する方向に燃料を噴射している状態（以下、「通常状態」という）を示している。この状態では、ニードル２７によってバイパス通路２６が遮断されている。従って、燃料は、バイパス通路２６を通過することなく、燃料噴射弁１１の中心軸線と噴射中心軸線２１とが略一致する方向に噴射される。

それに対して図６（Ｂ）に示される燃料噴射弁１１は、その中心軸線と噴射中心軸線２１とが屈折角βを成すように燃料を噴射している状態（以下、「屈折状態」という）を示している。この原理について説明すると、まず、ニードル２７を図の矢印方向に移動する。そうすることによって、バイパス通路２６が開放され、バイパス通路２６に高圧な燃料の一部が流入する。バイパス通路２６に流入した燃料は、噴射口２４の湾曲面２５近傍で再び元の燃料の流れに合流する。この合流によって、燃料噴射弁１１の中心軸線方向の燃料の流れが、湾曲面２５方向へと偏向する。この時、湾曲面２５へと偏向した燃料の流れは、周知のコアンダ効果によってその湾曲面２５の湾曲形状に沿う。ここで、コアンダ効果は、流れの中に物体を置いたときにその物体に沿って流れの向きが変わる流体の性質をいう。そして、その結果、燃料が、燃料噴射弁１１の中心軸線と噴射中心軸線２１との屈折角βで噴射されることになる。

屈折角βは、主に湾曲面２５の形状や、バイパス通路２６の配置によって決定され、燃料の噴射圧やニードル２７の開放具合等によって調整することができる。そして、所望の噴射中心軸線角Ｖに対して、燃料噴射弁１１の取り付け角度を考慮し、必要な屈折角βが決定される。湾曲面２５の曲率半径は、予め実験や計算等によって定められる。

屈折角βの調整方法として２つが考えられる。１番目は、噴射中心軸線角Ｖが一番小さい状態を通常状態とし、噴射中心軸線角Ｖを大きくするために屈折角βをそれに応じて大きくする方法である。２番目は、噴射中心軸線角Ｖが一番大きい状態を通常状態とし、噴射中心軸線角Ｖを小さくするために屈折角βをそれに応じて大きくする方法である。いずれの方法を用いることもできる。

図７は、噴射中心軸線角Ｖを変更するための、２番目の実施形態による燃料噴射弁１１の概略縦断面図である。本実施形態による燃料噴射弁１１も、図６に示す燃料噴射弁１１と同様に、コアンダ効果を利用している。本実施形態による燃料噴射弁１１は、燃料が噴射される噴射口２４を形成する縁部の一部が湾曲面２５を備え、噴射される燃料の一部が通るために形成されたバイパス通路２６と、バイパス通路２６を遮断するためのニードル２７とを有し、ストッパ部材２８及び滞留室２９を更に有していることを特徴とする。滞留室２９は、隣接する燃料噴射弁１１の中心軸線に沿った主流路と連通路を介して連通しており、ストッパ部材２８によって連通路が封鎖及び開放される。

図７（Ａ）に示される燃料噴射弁１１は、その中心軸線と噴射中心軸線２１とが略一致する方向に燃料を噴射している通常状態を示している。通常状態では、ニードル２７によってバイパス通路２６が遮断されておらず、バイパス通路２６に高圧な燃料の一部が流入する。この燃料によって、滞留室２９内において、ストッパ部材２８が連通路に向かって押圧され、連通路を封鎖している。従って、燃料は、滞留室２９内に流入することなく、燃料噴射弁１１の中心軸線と噴射中心軸線２１とが略一致する方向に噴射される。

それに対して図７（Ｂ）に示される燃料噴射弁１１は、その中心軸線と噴射中心軸線２１とが屈折角βを成すように燃料を噴射している屈折状態を示している。この原理について説明すると、まず、ニードル２７を図の矢印方向に移動する。そうすることによって、バイパス通路２６に流入する燃料の流れが遮断される。この状態において、ストッパ部材２８が主流路からの燃料の圧力に屈して連通路を開放し、連通路を通して燃料が滞留室２９に流入する。その結果、燃料が滞留室２９内で図に矢印で示すように滞留し、この滞留と接するように主流路を流れる燃料の流速を低下させる。その結果、流れ全体としては滞留室２９側、即ち、湾曲面２５へと偏向することとなる。そして、前述の実施形態と同様にコアンダ効果によって、燃料の流れは湾曲面２５の湾曲形状に沿う。よって、燃料は、燃料噴射弁１１の中心軸線と噴射中心軸線２１との屈折角βで、噴射されることとなる。

屈折角βは、主に湾曲面２５の形状や、滞留室２９の配置、ストッパ部材の重量等によって決定され、燃料の噴射圧やニードル２７の開放具合によって調整可能である。そして、所望の噴射中心軸線角Ｖに対して、燃料噴射弁１１の取り付け角度を考慮し、必要な屈折角βが決定される。湾曲面２５の曲率半径は、予め実験や計算等によって定められる。

屈折角βの調整方法として前述同様に２つが考えられる。１番目は、噴射中心軸線角Ｖが一番小さい状態を通常状態とし、噴射中心軸線角Ｖを大きくするために屈折角βをそれに応じて大きくする方法である。２番目は、噴射中心軸線角Ｖが一番大きい状態を通常状態とし、噴射中心軸線角Ｖを小さくするために屈折角βをそれに応じて大きくする方法である。いずれの方法を用いることができる。

本発明による実施形態では、コアンダ効果を利用することによって噴射中心軸線角Ｖの制御を行ったが、燃料噴射弁１１自体の角度を変更する制御機構を用いることによって噴射中心軸線角Ｖの制御を行ってもよい。また、噴射中心軸線角Ｖを制御する代わりに、複数の燃料噴射弁１１を一列に配置することによって、所望の噴射中心軸線角Ｖに相当する燃料噴射弁１１からのみ燃料を噴射する制御を行うことも考えられる。

本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。機関回転数が低い場合に噴射された燃料の様子を示す概略図である。機関回転数が高い場合に噴射された燃料の様子を示す。１番目の実施形態による燃料噴射弁の概略縦断面図である。２番目の実施形態による燃料噴射弁の概略縦断面図である。

符号の説明

１機関本体
４ピストン
５燃焼室
６吸気弁
１０点火プラグ
１１燃料噴射弁
Ｖ噴射中心軸線角

Claims

燃焼室内に配置されたピストンと、燃焼室上部に配置された点火プラグと、燃焼室上部に配置された２つの吸気弁と、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁とを具備する筒内噴射式火花点火内燃機関において、ピストンの中心軸線に対して垂直な平面と燃料噴射弁からの燃料噴射の噴射中心軸線とが成す角度である噴射中心軸線角を、機関回転数に応じて制御する噴射中心軸線角制御手段を更に具備する筒内噴射式火花点火内燃機関。
前記噴射中心軸線角制御手段が、機関回転数が高いほど前記噴射中心軸線がピストンの中心軸線に近づくように前記噴射中心軸線角を制御する請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
前記噴射中心軸線と２つの吸気弁それぞれとの距離が等しくなるように燃料噴射弁が配置され、前記噴射中心軸線角制御手段が、機関回転数が予め定められた回転数未満のときに、噴射された燃料が吸気行程中リフト状態にある吸気弁と干渉し、燃料噴霧が偏向されて前記２つの吸気弁の間を通過するように前記噴射中心軸線角を制御する請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
燃料噴射弁が燃料の噴射口を形成する縁部の一部が湾曲面を具備し、前記噴射中心軸線角制御手段が、燃料の流れを偏向させ、前記湾曲面に沿って流すことによって前記噴射中心軸線角を制御する請求項１から３のいずれか１つに記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。