JP2018155148A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】主燃焼室内に設けられた副室内で燃料噴射を行う内燃機関において、主燃焼室が過度にリーンな状態となることを防止する。【解決手段】内燃機関は、主燃焼室と、吸気開口部において主燃焼室につながる吸気ポートと、排気開口部において主燃焼室につながる排気ポートと、吸気開口部と排気開口部との間のシリンダヘッド上に設けられ、複数の連通孔を通して主燃焼室とつながる副室と、副室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、副室内で点火を行う点火プラグと、を備える。複数の連通孔は、直噴連通孔を含む。直噴連通孔は、燃料噴射弁から噴射された燃料が直噴連通孔を通過して主燃焼室に直接入射するように設けられている。【選択図】図６

Description

本発明は、主燃焼室内に設けられた副室内で燃料噴射を行う内燃機関に関する。

特許文献１は、主燃焼室と主燃焼室内に設けられた副室とを有する内燃機関を開示している。副室は、連通孔を通して主燃焼室につながっている。副室には燃料噴射弁と点火プラグが設けられており、副室において燃料噴射及び火花点火が行われる。副室内で発生した火炎は、連通孔を通して主燃焼室に噴き出す。

特許文献２も、主燃焼室と主燃焼室内に設けられた副室とを有する内燃機関を開示している。当該内燃機関では、燃料噴射弁は、吸気ポートあるいは主燃焼室に設けられる。圧縮工程において、主燃焼室内の混合気の一部が、連通孔を通して副室内に入る。副室内には点火プラグが設けられており、副室内で火花点火を行うことにより燃焼が開始する。副室内で発生した火炎は、連通孔を通して主燃焼室に噴き出す。

特開２０１５−２１３９１号公報 特開２００９−２１５９７３号公報

上記の特許文献１に開示された内燃機関では、燃料噴射弁及び点火プラグは副室内に設けられ、副室内で燃料噴射及び火花点火が行われる。そして、副室内で発生した火炎は主燃焼室に噴き出し、燃え拡がる。しかしながら、この時に主燃焼室が過度にリーンな状態であると、主燃焼室において火炎がうまく燃え拡がらず、燃焼安定性が低下する。

本発明の１つの目的は、主燃焼室内に設けられた副室内で燃料噴射を行う内燃機関において、主燃焼室が過度にリーンな状態となることを防止することができる技術を提供することにある。

本発明の１つの観点において、内燃機関が提供される。
その内燃機関は、
シリンダヘッドと前記シリンダヘッドに対向するピストンとの間に挟まれた主燃焼室と、
前記シリンダヘッド内に形成され、吸気開口部において前記主燃焼室につながる吸気ポートと、
前記シリンダヘッド内に形成され、排気開口部において前記主燃焼室につながる排気ポートと、
前記吸気開口部と前記排気開口部との間の前記シリンダヘッド上に設けられ、複数の連通孔を通して前記主燃焼室とつながる副室と、
前記副室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記副室内で点火を行う点火プラグと
を備える。
前記複数の連通孔は、直噴連通孔を含む。
前記直噴連通孔は、前記燃料噴射弁から噴射された前記燃料が前記直噴連通孔を通過して前記主燃焼室に直接入射するように設けられている。

本発明によれば、燃料噴射弁は副室内に設けられ、副室内で燃料噴射が行われる。また、副室の連通孔の一部は、直噴連通孔として形成される。燃料噴射弁から副室に噴射された燃料は、直噴連通孔を通過して主燃焼室に直接入射する。これにより、主燃焼室が過度にリーンな状態となることが防止される。その結果、燃焼時に副室から主燃焼室に噴き出す火炎が、主燃焼室内において良好に燃え拡がる。すなわち、優れた燃焼安定性が得られる。

本発明の第１の実施の形態に係る内燃機関の構成例を概略的に示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る内燃機関の構成例を概略的に示す平面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る内燃機関における燃焼を説明するための概念図である。 本発明の第１の実施の形態に係る内燃機関の副室の構成例を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る内燃機関の副室における燃料噴射を説明するための概念図である。 本発明の第１の実施の形態に係る内燃機関の副室における燃料噴射を説明するための概念図である。 本発明の第１の実施の形態に係る内燃機関における燃料噴射制御に関連する構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る内燃機関における燃料噴射制御の一例を示すタイミングチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る内燃機関の主燃焼室内のタンブル流を説明するための概念図である。 本発明の第２の実施の形態に係る内燃機関の副室における燃料噴射を説明するための概念図である。 本発明の第２の実施の形態に係る内燃機関の副室における燃料噴射を説明するための概念図である。

添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

１．第１の実施の形態
１−１．基本構成
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る内燃機関１の構成例を概略的に示す断面図である。内燃機関１は、主な構成として、主燃焼室１０、吸気ポート３０、排気ポート４０、副室５０、燃料噴射弁６０、及び点火プラグ７０を備えている。

主燃焼室１０は、シリンダブロック２０、ピストン２２、及びシリンダヘッド２３によって囲まれた空間である。より詳細には、シリンダブロック２０は、主燃焼室１０の側壁を形成する円筒状のシリンダライナ２１（シリンダボア）を備えている。図中、円筒状のシリンダライナ２１の中心軸は、符号“Ｃ”で示されている。ピストン２２は、シリンダライナ２１の軸方向に沿って往復移動可能なように配置されている。このピストン２２の上面が、主燃焼室１０の底面を形成している。シリンダヘッド２３は、ピストン２２と対向するようにシリンダブロック２０上に設置されている。シリンダヘッド２３の底面であるヘッド底面２４が、主燃焼室１０の上面を形成している。このように、ピストン２２とシリンダヘッド２３（ヘッド底面２４）とは対向しており、主燃焼室１０は、それらピストン２２とシリンダヘッド２３との間に挟まれている。

ここで、以下の説明において用いる座標系を定義する。「Ｚ方向」は、ピストン２２が移動する方向であり、中心軸Ｃと平行である。「ＸＹ平面」は、Ｚ方向と直交する平面である。

吸気ポート３０は、主燃焼室１０に吸気ガスを供給する。より詳細には、吸気ポート３０は、シリンダヘッド２３内に形成されており、且つ、主燃焼室１０につながっている。吸気ポート３０の主燃焼室１０に対する開口部は、吸気開口部３１である。つまり、吸気ポート３０は、吸気開口部３１において主燃焼室１０につながっている。吸気開口部３１には、吸気バルブ３２が開閉可能に設けられている。

排気ポート４０は、主燃焼室１０から排気ガスを排出する。より詳細には、排気ポート４０は、シリンダヘッド２３内に形成されており、且つ、主燃焼室１０につながっている。排気ポート４０の主燃焼室１０に対する開口部は、排気開口部４１である。つまり、排気ポート４０は、排気開口部４１において主燃焼室１０につながっている。排気開口部４１には、排気バルブ４２が開閉可能に設けられている。

副室５０は、主燃焼室１０内に配置されている。より詳細には、図１に示されるように、副室５０は、吸気開口部３１と排気開口部４１との間のシリンダヘッド２３（ヘッド底面２４）上に設けられている。副室５０は、シリンダヘッド２３から主燃焼室１０の方に向けて突出しているが、上死点におけるピストン２２とは干渉しない。更に、副室５０は、主燃焼室１０とつながる複数の連通孔５１を有している。つまり、副室５０は、複数の連通孔５１を通して主燃焼室１０とつながっている。

燃料噴射弁６０は、副室５０内に燃料を噴射するように設けられている。より詳細には、燃料噴射弁６０は、副室５０の上部（シリンダヘッド２３側）に取り付けられている。図１に示される例では、燃料噴射弁６０は、中心軸Ｃ近傍においてシリンダヘッド２３から副室５０に突出するように設けられている。

点火プラグ７０は、副室５０内で火花点火を行うことができるように設けられている。すなわち、本実施の形態に係る内燃機関１は、副室５０内で火花点火を行い燃焼を開始する方式を採用している。

図２は、Ｚ方向から見たときの、つまり、ＸＹ面における、吸気開口部３１、排気開口部４１、及び副室５０の配置例を示している。

図２に示される配置例では、単一の主燃焼室１０に対して、複数の吸気開口部３１−１、３１−２と複数の排気開口部４１−１、４１−２が設けられている。それら吸気開口部３１−１、３１−２及び排気開口部４１−１、４１−２は、主燃焼室１０の中心軸Ｃの周りを囲むように配置されている。そして、副室５０は、主燃焼室１０の中心軸Ｃの近傍に配置されている。つまり、副室５０は、吸気開口部３１−１、３１−２及び排気開口部４１−１、４１−２によって囲まれている。

尚、既出の図１は、図２中の線Ａ−Ａに沿った断面図に相当する。また、図２中の線Ｂ−Ｂは、吸気側と排気側とを区分する線である。線Ｂ−Ｂは、Ｙ方向と平行であり、且つ、副室５０の位置を通っている。この線Ｂ−Ｂ（副室５０）から見て吸気開口部３１−１、３１−２が存在する側が、「吸気側」である。一方、線Ｂ−Ｂ（副室５０）から見て排気開口部４１−１、４１−２が存在する側が、「排気側」である。

以上に説明された本実施の形態に係る内燃機関１における基本的な燃焼プロセスは、次の通りである。

吸気・圧縮行程において、燃料噴射弁６０から副室５０内に燃料が噴射され、副室５０内で混合気が形成される。混合気の一部は、副室５０の連通孔５１を通して、主燃焼室１０内に供給される。そして、所定の点火タイミングにおいて、点火プラグ７０が副室５０内で火花点火を行う。これにより、副室５０内で燃焼が開始し、初期火炎が発生する。そして、副室５０内で発生した火炎は、図３に示されるように、連通孔５１を通して主燃焼室１０に勢いよく噴き出す。副室５０から連通孔５１を通して主燃焼室１０に噴き出す火炎は、ジェット８０とも呼ばれる。高エネルギーのジェット８０は主燃焼室１０内で燃え拡がり、それにより主燃焼室１０内で燃焼が進行する。

１−２．副室の構成
上述の通り、本実施の形態によれば、燃料噴射弁６０及び点火プラグ７０は副室５０内に設けられ、副室５０内で燃料噴射及び火花点火が行われる。そして、副室５０内で発生した火炎はジェット８０として主燃焼室１０に噴き出し、燃え拡がる。このように副室５０及びジェット８０を利用することによって、全体としてリーンな燃焼を実現することが可能となる。

しかしながら、主燃焼室１０が過度にリーンな状態であると、ジェット８０がうまく燃え拡がらず、燃焼安定性が低下する。ジェット８０を良好に成長させるためには、副室５０だけでなく主燃焼室１０内においても、ある程度の量の混合気を形成しておくことが必要である。ここで、副室５０内の燃料噴射弁６０とは別に、主燃焼室１０あるいは吸気ポート３０に燃料を噴射するための別の燃料噴射弁を設けることも考えられる。しかしながら、その場合、複数の燃料噴射弁のそれぞれを制御する必要があり、燃料噴射制御が複雑となる。更に、製造コストも増大する。そこで、本実施の形態では、副室５０内の燃料噴射弁６０だけを用い、燃料噴射弁６０から副室５０に噴射された燃料を主燃焼室１０の方にもうまく分配することを考える。

図４は、本実施の形態に係る副室５０の構成例を示す斜視図である。副室５０の側壁５０ｓは、Ｚ方向と平行であり、ＸＹ平面と直交している。この側壁５０ｓに、複数の連通孔５１が形成されている。本実施の形態では、複数の連通孔５１の少なくとも一部が「直噴連通孔５１ｄ」として形成される。直噴連通孔５１ｄとは、燃料噴射弁６０から副室５０に噴射された燃料が直接通過する連通孔５１である。

図５及び図６は、本実施の形態に係る副室５０における燃料噴射を説明するための概念図である。より詳細には、図５は、燃料噴射弁６０から噴射される燃料を、直噴連通孔５１ｄの位置におけるＸＹ断面と共に示している。図６は、図５中の線Ｅ−Ｅに沿った副室５０の断面構造を概略的に示している。燃料噴射弁６０から噴射される燃料は、典型的には噴霧状であり、図中の符号“９０”で表されている。

図５及び図６に示されるように、直噴連通孔５１ｄは、燃料噴射弁６０からの噴霧燃料９０が直噴連通孔５１ｄを通過して主燃焼室１０に直接入射するように設けられている。言い換えれば、直噴連通孔５１ｄの位置は、噴霧燃料９０の狙い方向と一致している。従って、燃料噴射弁６０から副室５０に噴射された噴霧燃料９０を主燃焼室１０に直接導くことが可能となる。

このように、本実施の形態によれば、複数の連通孔５１の一部が、直噴連通孔５１ｄとして形成される。直噴連通孔５１ｄを設けることによって、燃料噴射弁６０から副室５０に噴射された燃料を主燃焼室１０に分配することが可能となる。

１−３．燃料噴射制御の例
次に、本実施の形態に係る内燃機関１における燃料噴射制御の一例を説明する。図７は、本実施の形態に係る燃料噴射制御に関連する構成を示すブロック図である。燃料噴射制御は、内燃機関１の制御装置１００によって行われる。制御装置１００は、プロセッサ、記憶装置、及び入出力インターフェースを備えるマイクロコンピュータであり、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）とも呼ばれる。この制御装置１００が、燃料噴射弁６０からの燃料噴射を制御する。

図８は、本実施の形態に係る燃料噴射制御の一例を示すタイミングチャートである。横軸はクランク角を表し、縦軸は燃料噴射弁６０からの燃料噴射量を表している。本実施の形態によれば、制御装置１００は、１エンジンサイクルにおいて燃料噴射を多段階で実施する。図８に示される例では、制御装置１００は、１エンジンサイクルにおいて燃料噴射を２回実施する。

より詳細には、制御装置１００は、吸気行程において、第１回目の燃料噴射を行う。第１回目の燃料噴射では、燃料噴射弁６０は、第１噴射量の燃料を副室５０に噴射する。このとき、噴射された燃料の一部は、直噴連通孔５１ｄを通って主燃焼室１０に直接入射する（図５、図６参照）。

その後、制御装置１００は、圧縮行程において、第２回目の燃料噴射を行う。より詳細には、制御装置１００は、点火タイミングＳＡの直前に第２回目の燃料噴射を行う。この第２回目の燃料噴射では、燃料噴射弁６０は、第２噴射量の燃料を副室５０に噴射する。第２噴射量は、微小量であり、第１回目の燃料噴射における第１噴射量よりも少ない。

尚、１エンジンサイクルにおける燃料噴射の回数は２回に限られない。１エンジンサイクルにおいて燃料噴射は３回以上実施されてもよい。いずれの場合であっても、制御装置１００は、点火タイミングＳＡの直前に、最後の燃料噴射を行い、微少量の燃料を副室５０に供給する。

このように、本実施の形態によれば、点火タイミングＳＡの直前に燃料噴射が行われ、微小量の燃料が副室５０に供給される。その結果、副室５０内にリッチな混合気が形成された状態で点火が行われることになる。すなわち、副室５０における着火性が向上し、初期火炎を良好に発生させることが可能となる。このような燃料噴射制御が可能なのは、副室５０内に燃料噴射弁６０が設けられているからである。つまり、副室５０内に燃料噴射弁６０を設けることによって、副室５０内にはリッチな混合気を形成し、全体としてはリーンな燃焼を実現することが可能となる。

１−４．効果
本実施の形態によれば、燃料噴射弁６０は副室５０内に設けられ、副室５０内で燃料噴射が行われる。また、副室５０の連通孔５１の一部は、直噴連通孔５１ｄとして形成されている。直噴連通孔５１ｄを設けることによって、燃料噴射弁６０から副室５０に噴射された燃料を主燃焼室１０に直接供給することが可能となる。これにより、主燃焼室１０が過度にリーンな状態となることが防止される。その結果、燃焼時に副室５０から主燃焼室１０に噴き出すジェット８０が、主燃焼室１０内において良好に燃え拡がる。すなわち、優れた燃焼安定性が得られる。

また、本実施の形態によれば、副室５０に噴射された燃料を主燃焼室１０に直接供給することができるため、主燃焼室１０あるいは吸気ポート３０に燃料噴射弁を別途設置する必要はない。燃料噴射弁６０を副室５０だけに設け、その燃料噴射弁６０から副室５０に燃料を噴射するだけで、主燃焼室１０にも混合気を良好に形成することが可能である。複数の燃料噴射弁のそれぞれを個別に制御する必要がないため、燃料噴射制御がシンプルになる。また、副室５０に１個の燃料噴射弁６０を設けるだけで十分なため、製造コストが削減される。

更に、本実施の形態によれば、副室５０内に燃料噴射弁６０が設けられているため、副室５０内にリッチな混合気を形成することが可能となる。特に、点火タイミングＳＡの直前に燃料噴射を行うことによって、副室５０内にリッチな混合気が形成された状態で点火を行うことが可能となる。これにより、副室５０における着火性が向上し、初期火炎を良好に発生させることが可能となる。

２．第２の実施の形態
本発明の第２の実施の形態では、主燃焼室１０内のタンブル流ＦＴを考慮して、燃料噴射が効率的に行われる。第１の実施の形態と重複する説明は、適宜省略する。

図９は、主燃焼室１０内のタンブル流ＦＴを説明するための概念図である。図９のフォーマットは既出の図１のフォーマットと同じであるが、吸気バルブ３２及び排気バルブ４２の図示は省略されている。吸気工程において、吸気ポート３０から主燃焼室１０に吸気ガスが吸い込まれる。その結果、吸気開口部３１付近には吸気流ＦＩが発生し、また、主燃焼室１０内にはタンブル流ＦＴが発生する。図９に示されるように、主燃焼室１０内の副室５０近傍のタンブル流ＦＴの方向は、吸気側から排気側に向かう方向である。

図１０及び図１１は、本実施の形態に係る副室５０における燃料噴射を説明するための概念図である。より詳細には、図１０は、燃料噴射弁６０からの噴霧燃料９０を、直噴連通孔５１ｄの位置におけるＸＹ断面と共に示している。図１１は、図１０中の線Ｆ−Ｆに沿った副室５０の断面構造を概略的に示している。

本実施の形態によれば、吸気側から排気側の方に流れるタンブル流ＦＴを考慮して、燃料噴射が効率的に行われる。より詳細には、燃料噴射弁６０は、吸気側よりも排気側の方に優先的に燃料を噴射する。言い換えれば、燃料噴射弁６０は、排気側方向に燃料噴射が集中するように、非対称的に燃料噴射を行う。図１１に示されるように、排気側の直噴連通孔５１ｄを直接通過した噴霧燃料９０は、吸気側から排気側の方に流れるタンブル流ＦＴによって、効率的に主燃焼室１０内に行き渡る。

このように、本実施の形態によれば、吸気側から排気側の方に流れるタンブル流ＦＴを考慮することによって、燃料噴射を効率的に実施することが可能となる。

１ 内燃機関
１０ 主燃焼室
２０ シリンダブロック
２１ シリンダライナ
２２ ピストン
２３ シリンダヘッド
２４ ヘッド底面
３０ 吸気ポート
３１、３１−１、３１−２ 吸気開口部
３２ 吸気バルブ
４０ 排気ポート
４１、４１−１、４１−２ 排気開口部
４２ 排気バルブ
５０ 副室
５０ｓ 側壁
５１ 連通孔
５１ｄ 直噴連通孔
６０ 燃料噴射弁
７０ 点火プラグ
８０ ジェット
９０ 噴霧燃料
１００ 制御装置
ＦＴ タンブル流

Claims (1)

1. シリンダヘッドと前記シリンダヘッドに対向するピストンとの間に挟まれた主燃焼室と、
   前記シリンダヘッド内に形成され、吸気開口部において前記主燃焼室につながる吸気ポートと、
   前記シリンダヘッド内に形成され、排気開口部において前記主燃焼室につながる排気ポートと、
   前記吸気開口部と前記排気開口部との間の前記シリンダヘッド上に設けられ、複数の連通孔を通して前記主燃焼室とつながる副室と、
   前記副室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記副室内で点火を行う点火プラグと
   を備え、
   前記複数の連通孔は、直噴連通孔を含み、
   前記直噴連通孔は、前記燃料噴射弁から噴射された前記燃料が前記直噴連通孔を通過して前記主燃焼室に直接入射するように設けられている
   内燃機関。

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