JP2013133708A

JP2013133708A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2013133708A
Application number: JP2011282628A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Takemoto; 高明武本
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2013-07-08
Anticipated expiration: 2031-12-26
Also published as: JP5911297B2

Abstract

【課題】燃焼室の内壁またはシリンダの内壁への燃料付着量を低減可能な筒内直接噴射式の内燃機関を提供する。
【解決手段】気筒１内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁１０を備えた筒内直接噴射式の内燃機関において、排気通路４と前記気筒内の燃焼室１４とを連通する排気ガス再循環通路６を設け、前記燃焼室の内壁またはシリンダの内壁１５であって前記燃料噴射弁から噴射される燃料が付着し得る部分に前記排気ガス再循環通路の燃焼室側開口部１６を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、気筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた筒内直接噴射式の内燃機関に関するものである。

従来より、機関運転状態に応じた必要燃料量を確実に気筒内へ供給するために、燃料を直接的に気筒内へ噴射する筒内直接噴射式の内燃機関が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

このような内燃機関は、燃料噴射弁から噴射された燃料が噴射された勢いによって、または、吸気の気流に乗ることによって、吸気通路に燃料を噴射する通常のポート噴射式の内燃機関に比較して、噴射された燃料がシリンダの内壁等に付着しやすくなる。燃料の一部がシリンダの内壁に付着してしまうと、壁面とピストンとの間の潤滑油剥離や燃料の希釈化、さらに、これらの要因によって燃費悪化が引き起こされるという問題がある。

特開平９−６８０７２号公報

本発明は、燃焼室の内壁またはシリンダの内壁への燃料付着量を低減可能な筒内直接噴射式の内燃機関を提供することを目的としている。

本発明は、以上のような課題を解決するために、次のような構成を採用したものである。すなわち、本発明に係る内燃機関は、気筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた筒内直接噴射式の内燃機関において、排気通路と前記気筒内の燃焼室とを連通する排気ガス再循環通路を設け、前記燃焼室の内壁またはシリンダの内壁であって前記燃料噴射弁から噴射される燃料が付着し得る部分に前記排気ガス再循環通路の燃焼室側開口部を設けたことを特徴とする。

このようなものであれば、燃焼室の内壁またはシリンダの内壁へ向けて噴射された燃料は、排気ガス再循環通路の燃焼室側開口部から燃焼室内へと流入する排気ガスによって気化される。そのため、燃料噴射弁から噴射された燃料がシリンダの内壁等に付着しにくくなり、燃焼に必要な量の燃料が確実に気筒内へ供給される。したがって、上述した問題を好適に解消することができる。

また、前記排気ガス再循環通路の燃焼室開口部から流入した排気ガスによって燃焼室内に気流が発生するため、吸気通路からの吸気導入による筒内流（タンブル流及び／またはスワール流）がより強化されるようになる。その結果、混合気は燃焼室内に速やかに且つ隈無く拡散することになる。そのため安定した燃焼が実現され、ひいては燃費の向上や排気ガスの質の向上にも資するものとなる。

本発明は、以上のような構成であるから、燃焼室の内壁またはシリンダの内壁への燃料付着量を低減可能にすることができる。

本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図。同実施形態の内燃機関の気筒を示す要部側断面図。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。この内燃機関は、筒内直接噴射式のものであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）と、各気筒１内に燃料を噴射する燃料噴射弁（以下、インジェクタ１０と称する）と、各気筒１に吸気を供給するための吸気通路３と、各気筒１から排気を排出するための排気通路４と、吸気通路３を流通する吸気を過給する排気ターボ過給機５と、排気ガスの一部を排気通路４から吸気通路３に向けて還流させる第１の排気ガス再循環装置（以下、第１のＥＧＲ装置と称する）２と、排気ガスの一部を排気通路４から気筒１の燃焼室１４に向けて還流させる第２の排気ガス再循環装置（以下、第２のＥＧＲ装置と称する）６とを具備している。

本実施形態では図２にその配置を模式的に示すように、吸気弁１２及び排気弁１３をそれぞれ一対有したものとしている。同図に示すように、吸気弁１２は、インジェクタ１０及びイグナイタ１１が設けられた位置を境に対をなして配置されたものとしている。そして排気弁１３についても、インジェクタ１０及びイグナイタ１１が設けられた位置を境に対をなして配置されたものとしている。言い換えれば、燃焼室１４の天井にはインジェクタ１０及びイグナイタ１１が設けてあり、このインジェクタ１０及びイグナイタ１１を、電子制御装置７により制御するようにしている。インジェクタ１０は、燃焼室１４に対し横方向又は傾斜方向に燃料を噴射し得る、いわゆる横置き式としており、排気弁１３に対向する吸気弁１２の近く、すなわち、気筒１の吸気弁１２側に配されている。インジェクタ１０は、気筒１内へ直接的に燃料を噴射するものであり、機関運転状態に応じた必要燃料量を確実に気筒１内へ供給することを可能にするものである。本実施形態における内燃機関は、例えば、各機関運転状態において均一混合気燃焼を実行するものである。

吸気通路３は、外部から空気を取り入れて気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、過給機５のコンプレッサ５１、インタクーラ３２、電子スロットル弁３３、サージタンク３４、吸気マニホルド３５を、上流からこの順序に配置している。

排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２、過給機５の駆動タービン５２及び三元触媒４１を配置している。加えて、タービン５２を迂回する排気バイパス通路４３、及びこのバイパス通路４３の入口を開閉するバイパス弁であるウェイストゲート弁４４を設けてある。ウェイストゲート弁４４は、アクチュエータに制御信号ｌを入力することで開閉操作することが可能な電動ウェイストゲート弁であり、そのアクチュエータとしてＤＣサーボモータを用いている。

排気ターボ過給機５は、駆動タービン５２とコンプレッサ５１とを同軸で連結し連動するように構成したものである。そして、駆動タービン５２を排気のエネルギを利用して回転駆動し、その回転力を以てコンプレッサ５１にポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１に送り込む。

第１のＥＧＲ装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものである。第１のＥＧＲ装置２のＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４におけるタービン５２の上流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットル弁３３の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３４に接続している。ＥＧＲ通路２１上には、ＥＧＲクーラ２２及びＥＧＲ弁２３を設けてある。

第２のＥＧＲ装置６は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものである。第２のＥＧＲ装置６のＥＧＲ通路６１の入口は、排気通路４におけるタービン５２の上流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路６１の出口は、気筒１内のボア壁面１５の所定箇所、具体的には、インジェクタ１１に対向する排気弁１３の下方、すなわち、気筒１の排気弁１３側に配されている。本発明の排気ガス再循環通路は、本実施形態においてはこの第２のＥＧＲ装置６のＥＧＲ通路６１である。言い換えれば、ＥＧＲ通路６１は、排気通路４と前記気筒１内の燃焼室１４とを連通するものであり、シリンダの内壁面１５であってインジェクタ１０から噴射される燃料が直接付着し得る部分にＥＧＲ通路６１の出口、すなわち燃焼室側開口部１６が設けられている。ＥＧＲ通路６１の燃焼室側開口部１６は、気筒１におけるピストンの上死点と下死点との間の領域に臨む位置に設けてある。言い換えれば、ＥＧＲ通路６１の燃焼室側開口部１６は、インジェクタ１０の噴射孔軸線の延長線上であって、噴射燃料の軌道上に設けられている。ＥＧＲ通路６１上には、ＥＧＲクーラ６２及びＥＧＲ弁６３を設けてある。

電子制御装置７は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるエンジン回転信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットル弁３３の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するアクセル開度センサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３４）内の吸気温を検出する温度センサから出力される吸気温信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３４）内の吸気圧（または、過給圧）を検出する圧力センサから出力される吸気圧信号ｅ、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム信号ｇ等が入力される。

出力インタフェースからは、イグナイタ１１に対して点火信号ｉ、インジェクタ１０に対して燃料噴射信号ｊ、スロットル弁３３に対して開度操作信号ｋ、ウェイストゲート弁４４に対して開度操作信号ｌ、ＥＧＲ弁２３に対して開度操作信号ｍ、ＥＧＲ弁６３に対して開度操作信号ｎ等を出力する。

電子制御装置７のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。電子制御装置７は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、ＥＧＲ量（または、ＥＧＲ率）及びＥＧＲ弁２３、６３の開度といった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能であるので説明を割愛する。電子制御装置７は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、ｎを出力インタフェースを介して印加する。

このように、本実施形態の内燃機関は、気筒１内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた筒内直接噴射式の内燃機関において、排気通路４と前記気筒１内の燃焼室１４とを連通する第２のＥＧＲ通路６１を設け、シリンダの内壁面１５であって前記燃料噴射弁から噴射される燃料が付着し得る部分に前記第２のＥＧＲ通路６１の燃焼室側開口部１６を設けてなる。したがって、例えば、吸気行程且つ燃料噴射タイミングで前記第２のＥＧＲ弁６３を開弁することにより、燃焼室側開口部１６から流入された排気ガスがシリンダの内壁面１５への燃料の付着を抑制するか、或いは壁面１５に付着してしまった燃料を混合気に混合させることができるので、オイルの劣化は低減されるとともに、過剰な燃料噴射の回避による燃費の確実な向上に寄与し得る。言い換えれば、直噴インジェクタ１０によるボアウェット発生部位へ向けてＥＧＲガスを投入することで、ボアウェット、すなわち壁面１５への燃料付着（液滴）の低減及び燃料蒸発の促進を図ることができる。

また、第１のＥＧＲ装置２とは別途第２のＥＧＲ装置６を設けたので、排気ガスの投入可能運転領域を拡大することも可能となる。したがって、耐ノック性能や燃費性能を高めることができる。

本実施形態では、例えば、吸気行程においてインジェクタ１０から燃料が横向き又は斜め下方向に噴射されるタイミングにおいて吸気弁１２が開弁すると、燃焼室１４の上端から外周部に沿うようにしたタンブル流が起こる。ここで第２のＥＧＲ弁６３が開弁すると、シリンダの外周部に設けられた燃焼室側開口部１６からタンブル流と同じ方向に導入流が起こる。これによりタンブル流はより強いものとなるとともに、燃料はタンブル流によって燃焼室１４内及びシリンダ内に隈無く拡散する。また既に壁面１５に付着した燃料は、導入流により再び混合気と混じり、燃焼へと費やされる。すなわち、混合気は燃焼室１４内に速やかに且つ隈無く拡散することになり、安定した速やかな燃焼が実現され、ひいては燃費の向上や排気ガスの質の向上にも資するものとなっている。したがって、気筒１の一方側から燃焼室１４に横方向又は傾斜方向に燃料を噴射し得るインジェクタ１０を設けた筒内直接噴射式の構成を適用しているものの、上述した導入流によってインジェクタ１０から噴射された燃料の一部がシリンダの内壁面１５に付着してしまい、その燃料がオイルと混ざることによるオイルの劣化や燃料が一部付着しても十分な燃料で燃焼させようとして過剰に燃料を噴射しなければならないという不具合を有効に回避している。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態ではターボチャージャを搭載した内燃機関に本発明を適用した態様を開示したが、勿論、自然吸気式の内燃機関に本発明を適用してもよい。また、気筒の数や吸気弁、排気弁の数、詳細な弁タイミングや燃料噴射タイミングといった具体的な態様は上記実施形態のものに限定されることはなく、既存のものを含め、種々の態様のものを適用することができる。

また、本発明の排気ガス再循環通路を備えたＥＧＲ装置は、上述したような第１のＥＧＲ装置と併用される場合のみならず、さらに他のＥＧＲ装置（例えば、低圧ループＥＧＲ）と併用する場合や、第１のＥＧＲ装置及び他のＥＧＲ装置と併用することなく単独で用いることも可能である。

第２のＥＧＲ弁は、流体の流れを常に一定方向に保ち、逆流を防止する機能を有するものであれば、どのようなものであってもよく、例えば、順流の場合、流体の圧力によって弁体が押し開かれる状態になるが、逆流の場合、背圧によって弁体が弁座に密着して逆流を防止するチェック弁を用いることができる。

また、本実施形態では、排気ガス再循環通路の燃焼室側開口部をシリンダの内壁に設けていたが、燃焼室、すなわちシリンダヘッドの内壁に設けてもよい。

機関温間時における燃焼は、均一混合気燃焼でも圧縮行程で燃料を噴射してイグナイタまわりだけに着火性の良好な混合気を形成する成層燃焼でもよい。また、燃料噴射弁は、燃料を円錐状に噴射するものや、柱状に噴射するもの等種々のものを適用することができる。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関に適用することができる。

１…気筒
１４…燃焼室
１５…壁面
１６…燃焼室側開口部
４…排気通路
６１…排気ガス再循環通路（ＥＧＲ通路）

Claims

気筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた筒内直接噴射式の内燃機関において、排気通路と前記気筒内の燃焼室とを連通する排気ガス再循環通路を設け、前記燃焼室の内壁またはシリンダの内壁であって前記燃料噴射弁から噴射される燃料が付着し得る部分に前記排気ガス再循環通路の燃焼室側開口部を設けたことを特徴とする内燃機関。