JP3641931B2 - 筒内噴射式火花点火機関の吸気制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は筒内噴射式火花点火機関の吸気制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
筒内噴射式火花点火機関の中には、例えば特開平9−250351号公報に示されているように、吸気ポートの吸気弁ステムの上流側に近接してバタフライ弁を配設し、機関の運転状態に応じて該バタフライ弁の開度を調節することによって燃焼室内のガス流動を1つのタンブル流から2つのタンブル流に変化させるようにしたものが知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
筒内噴射式火花点火機関では周知のように機関の高負荷運転域では燃料の吸気行程噴射により燃焼室に略均質な空燃比の混合気を形成して均質燃焼を行わせる一方、低、中負荷運転域では燃料の圧縮行程噴射により燃焼室中心部の点火プラグ周りにのみ比較的濃い混合気を形成し、平均的な空燃比を非常に大きく(希薄化)して成層燃焼を行わせるようにしているが、前記均質燃焼時には吸気効率を下げることがないように吸気ポートの傾斜向きに略沿って燃焼室に流入する吸気流で燃焼室内のガス流動を、燃焼室中心側からピストン冠面に下向きに向かう順タンブル流として混合気の均質化を積極的に行わせて出力の向上を図り、成層燃焼時には前述とは逆に燃焼室内のガス流動を、吸気弁配置側の燃焼室側部からピストン冠面に下向きに向う逆タンブル流として、燃焼室の吸気弁近傍の側部から噴射される燃料が燃焼室中心部の点火プラグに吹き当ってくすぶりの原因とならないようにすると共に、燃料の気化促進と燃料の点火プラグ側への確実な搬送とを行えるようにすることが望まれる。
【0004】
ところが、前記従来の吸気制御装置ではバタフライ弁を吸気ポートの吸気弁ステムの上流側に配設してあるため、吸気弁ステムがガス流動の乱れの原因となってサイクルバラツキを生じ易く出力低下の要因となってしまう。また、成層燃焼時に燃焼室に1つの逆タンブル流を得ようとした場合、バタフライ弁を全閉近くまで回動する必要があって吸気ポートの絞りにより吸気効率が極端に下がって出力の低下を来してしまう。
【0005】
そこで、本発明は吸気のサイクルバラツキを生じることがなく、しかも、機関運転状態に応じて燃焼室内のガス流動を、吸気効率の低下による出力の低下を伴うことなく順タンブル流から強い逆タンブル流に変化させることができる筒内噴射式火花点火機関の吸気制御装置を提供するものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明にあっては、吸気ポートの吸気弁ステムの下流側に、吸気ポートを流通する吸気流と略平行な開位置から吸気ポート内の吸気流と直交する断面の半部側に閉弁されることにより、燃焼室内のガス流動を燃焼室中心側からピストン冠面に向かう順タンブル流から、吸気弁配置側の燃焼室側部からピストン冠面に向かう逆タンブル流に変える制御弁を設けたことを特徴としている。
【0007】
請求項2の発明にあっては。請求項1に記載の制御弁はその閉弁によって、吸気ポートの燃焼室中心側の略半部を、平面視して該吸気ポートを流通する吸気の主流に対して略直角に塞ぐようにしたことを特徴としている。
【0008】
請求項3の発明にあっては、請求項1に記載の制御弁はその閉弁によって、吸気ポートの燃焼室中心側の略半部を、燃焼室内に発生する逆タンブル流で燃料を燃焼室中心に向けて搬送可能に塞ぐようにしたことを特徴としている。
【0009】
請求項4の発明にあっては、請求項1に記載の制御弁は2つの吸気ポートに配設されていて、これら制御弁は閉弁時に各吸気ポートの燃焼室中心側の側部で、該吸気ポートの同一片側の略4半部を塞ぐようにしたことを特徴としている。
【0010】
請求項5の発明にあっては、請求項1に記載の制御弁は2つの吸気ポートの一方に配設されていて、閉弁時に一方の吸気ポートの燃焼室中心側の側部で、該吸気ポートの他方の吸気ポートに隣接した側の略4半部を塞ぐように構成され、かつ、該他方の吸気ポートの吸気弁は一方の吸気ポート内の制御弁が閉弁している間は閉弁するようにしたことを特徴としている。
【0011】
請求項6の発明にあっては、請求項1〜5に記載の吸気ポートの内周面には、制御弁の周縁の回動軌跡に沿って形成されて該制御弁の周縁部を受容する凹部を備えていることを特徴としている。
【0012】
請求項7の発明にあっては、請求項1〜6に記載の制御弁は均質燃焼運転時に開弁され、成層燃焼運転時に閉弁されることを特徴としている。
【0013】
【発明の効果】
請求項1に記載の発明によれば、吸気ポートに設けた制御弁を機関の運転条件に応じて開、閉作動させることによって、燃焼室内のガス流動を順タンブル流と逆タンブル流とに切り換えられるため、運転条件に合わせて燃焼室内のガス流動場を最適にすることができて、出力および排気エミッションを向上することができる。
【0014】
また、制御弁は吸気ポートの吸気弁ステムの下流側に設けてあって、制御弁の開弁時に該制御弁が吸気ポートの燃焼室側の開口近くに位置するため、成層燃焼時に要求される強い逆タンブル流を発生させることができ、しかも、該制御弁は吸気ポート横断面の半部側に閉弁されることで前記逆タンブル流を発生させるようにしてあるので当該運転時に吸気効率の極端な低下による出力の低下を抑制することができる。
【0015】
更に、制御弁が吸気弁ステムの下流側に配置されているため、吸気弁ステムがガス流動の乱れの原因となることがなく、吸気のサイクルバラツキを回避することができる。
【0016】
請求項2および請求項3に記載の発明によれば、請求項1の発明の効果に加えて、何れも制御弁閉弁時に燃焼室内に発生する強い逆タンブル流が燃焼室の径外方向に指向するのを回避し、該逆タンブル流により燃料を燃焼室の略中心部に集めることができて燃焼を安定化することができる。
【0017】
請求項4に記載の発明によれば、請求項1の発明の効果に加えて、2つの吸気ポートに配設した制御弁はそれらの閉弁時に各吸気ポートの燃焼室中心側の側部で、該吸気ポートの同一片側の略4半部を塞ぐようにしてあるため、燃焼室内のガス流動は該燃焼室の周方向の一方向に旋回指向した斜め逆タンブル流となってスワール成分を含むようになるため、燃料の燃焼室中心側への搬送作用を強化することができる。
【0018】
請求項5に記載の発明によれば、請求項1の発明の効果に加えて、制御弁は2つの吸気ポートのうち一方に配設してその閉弁時に一方の吸気ポートの燃焼室中心側の側部で、該吸気ポートの他方の吸気ポートに隣接した側の略4半部を塞ぐように構成してあって、他方の吸気ポートの吸気弁は前記一方の吸気ポート内の制御弁が閉弁している間は閉弁するようにしてあるため、燃焼室内のガス流動を該燃焼室の周方向の一方向に旋回指向した強い斜め逆タンブル流とすることができてスワール成分を含むようになるため、燃料の燃焼室中心側への搬送作用を強化することができる。
【0019】
請求項6に記載の発明によれば、請求項1〜5の発明の効果に加えて、制御弁の閉弁位置によって該制御弁の周縁部と吸気ポート内周面との間に隙間が生じることがないため、強い逆タンブル流を得ることができる。
【0020】
請求項7に記載の発明によれば、均質燃焼運転時には制御弁の開弁により燃焼室内に順タンブル流を発生させて混合気の均質化を積極的に行わせることができる一方、成層燃焼運転時には制御弁の閉弁により燃焼室内に強い逆タンブル流を発生させて燃料を燃焼室中心側に集めて搬送できるため、均質燃焼、成層燃焼の何れをも安定化させることができて出力や燃費の向上を図ることができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。
【0022】
図1において、1はシリンダブロック、2はピストン、3はピストン2の冠面に設けたキャビティ燃焼室、4はシリンダヘッド、5はこれらシリンダブロック1,ピストン2およびシリンダヘッド4で形成された燃焼室を示す。
【0023】
シリンダヘッド4には吸気弁8,9によって開閉される2つの吸気ポート6,7と、排気弁12,13によって開閉される2つの排気ポート10,11とを対向的に設けてある。
【0024】
また、シリンダヘッド4には燃焼室5の中心部に臨んで点火プラグ14を配設してあると共に、吸気弁8,9の配設側の側部にはこれら吸気弁8,9の中間位置から燃焼室5内に直接燃料を噴射する図外の燃料噴射弁を設けてある。
【0025】
吸気ポート6,7は何れも燃焼室5に対して適度の傾きをもって形成して、吸気弁8,9の開弁により図1の(イ)に示すように吸気が燃焼室5内の中心側に向けて流入し、燃焼室5内のガス流動が燃焼室5の中心側からピストン2の冠面に下向きに向かう順タンブル流a1 が生じるようにしてある。
【0026】
これら吸気ポート6,7内には、吸気弁8,9のステム8a,9aの下流側に、吸気ポート6,7を流通する吸気流Aと略平行な開位置からこれら吸気ポート6,7の横断面の半部側に閉弁されることにより、燃焼室5内のガス流動が図1の (イ)に示した前記順タンブル流a1 から、図1の(ロ)に示すように吸気弁8,9を配置した側の燃焼室5側部からピストン2冠面に下向きに向かう逆タンブル流a2 に変える制御弁15を設けてある。
【0027】
制御弁15は略半円形に形成して、閉弁することにより、吸気ポート6,7の燃焼室中心側の略半部を塞ぐようにしてある。
【0028】
図2は吸気ポート6,7及びそれらの燃焼室側開口部と制御弁15の燃焼室5に対する配置状態を、排気ポート10,11の開口部および点火プラグ14の配置位置と共に上方から見て示す模式図である。
【0029】
図2の(イ)に示すように吸気ポート6,7がシリンダ列に対して平面視して直角方向に平行に形成されている場合や、同図の(ロ)に示すように吸気ポート6,7が燃焼室5に平面視して開き角度をもって連通形成されている場合には、前述の制御弁15はその閉弁によって吸気ポート6,7の燃焼室5中心側の略半部を、平面視して吸気の主流Aに対して略直角に塞ぐような配置として、吸気流Aが吸気ポート6,7の平面上の形成向きに沿って燃焼室5内に流入し、該燃焼室5内に発生する逆タンブル流a2 の反転流、即ち、ピストン2の冠面に当って燃焼室5の上方へ反転する逆タンブル流a2 が、燃焼室5の中心側を向くようにする。
【0030】
また、図2の(ハ)に示すように吸気ポート6,7が燃焼室5に平面視して内側に湾曲して連通形成されている場合には、制御弁15はその閉弁によって吸気ポート6,7から燃焼室内に平面視して径方向へ広がり方向に流入する傾向となる吸気流A1 を径方向内側へ向く吸気流Aに矯正し得るような制御弁15,15の配置として、逆タンブル流a2 の反転流が燃焼室5の中心側を向くようにして、これら(イ),(ロ),(ハ)の何れの吸気ポート構造でも逆タンブル流a2 で燃料を燃焼室5の中心部の点火プラグ14側へ搬送可能なようにしてある。
【0031】
また、前記吸気ポート6,7の内周面には、図3に示すように制御弁15の周縁の回動軌跡に沿って形成されて該制御弁15の周縁部を受容する凹部16を形成して、制御弁15の閉弁位置によって該制御弁15の周縁と吸気ポート6,7の内周面との間に隙間が生じないようにしてある。
【0032】
前記制御弁15は図外のコントロールユニットにより、均質燃焼を行う高負荷運転域では開弁され、成層燃焼を行う低、中負荷運転域では所用の閉弁角度に閉弁するように作動制御される。
【0033】
図5にこのようなコントロールユニットによる制御弁15の作動制御の一例をフローチャートで示す。
【0034】
図5において、ステップ1で回転センサおよび負荷センサによってエンジン回転数およびエンジン負荷が検出されると、ステップ2でこれら回転センサ、負荷センサの各検出値と図6に示すマップとの比較にもとづいて成層燃焼に相応する運転域か、均質燃焼に相応する運転域かが判断される。
【0035】
ステップ2で成層燃焼運転域と判断された場合(YES)、ステップ3に進み図外のアクチュエータにより制御弁15を所定の閉弁角度、例えば図3に示すB位置又はC位置に閉弁作動する。
【0036】
ステップ2で均質燃焼運転域と判断された場合(NO)、ステップ4に進み制御弁15を同アクチュエータにより図3に示すA位置に開弁作動する。
【0037】
このように、均質燃焼時にはコントロールユニットによって制御弁15が吸気ポート6,7を流通する吸気流Aと略平行な開位置(図3のA位置)に開弁されるため、この吸気流Aは図1の(イ)に示すように吸気ポート6,7の傾斜向きに略沿って燃焼室5内に流入し、該燃焼室5内には、燃焼室5の中心側からピストン2の冠面に下向きに向かう順タンブル流a1 が形成される。
【0038】
この結果、ポンピングロスをなくして吸気効率の低下を伴うことがなく、かつ、吸気行程中に図外の燃料噴射弁から噴射される燃料はこの順タンブル流a1 によって拡散と気化が促進されて均質化が良好に行われ、均質燃焼を安定化させて高負荷運転に要求される高出力が得られる。
【0039】
一方、成層燃焼時には前記制御弁15が運転条件により図3のB又はC位置に閉弁作動され、吸気ポート6,7の燃焼室中心側の略半部を塞ぐため、吸気ポート6,7の吸気流Aは図1の(ロ)に示すように吸気弁8,9の傘部8b,9bの下側から燃焼室5内に流入し、該燃焼室5内には、吸気弁8,9の配置側の燃焼室側部からピストン2の冠面に下向きに向かう逆タンブル流a2 が形成される。
【0040】
この結果、圧縮行程の途中で図外の燃料噴射弁から噴射される燃料が点火プラグ14に吹き当るの回避して、くすぶりの原因をなくし、かつ、該ピストン2の冠面に向かう逆タンブル流a2 によって燃料はピストン2の冠面に吹き当って気化が促進されると共に、燃焼室中心部の点火プラグ14に向けて搬送されて安定した成層燃焼が行われる。
【0041】
前記制御弁15のA,B,C位置における燃焼室5内のガス流動強さを図4の(イ)にタンブル比とスワール比として示す。図4の(イ)のガス流動強さA,B,Cは図3の制御弁位置A,B,Cに対応している。
【0042】
ここで、制御弁15は前述のように吸気弁8,9のステム8a,9aの下流側に設けてあって、制御弁15の閉弁時に該制御弁15が吸気ポート6,7の燃焼室5側の開口近くに位置するため、成層燃焼時に要求される強い逆タンブル流a2 を発生させることができ、しかも、該制御弁15は吸気ポート6,7の断面の略半部のみを閉塞することで前記逆タンブル流a2 を発生させることができるので、成層燃焼運転時にあっても吸気効率の極端な低下による出力の低下を回避することができる。
【0043】
また、制御弁15が吸気弁8,9のステム8a,9aの下流側に配置されているため、吸気弁ステム8a,9aがガス流動の乱れの原因となることがなく、吸気のサイクルバラツキを回避することができる。
【0044】
一方、前記制御弁15は図2の(イ)又は(ロ)又は(ハ)に示すように、その閉弁により燃焼室5内に形成される強い逆タンブル流a2 が、燃焼室5の径外方向に指向するのを回避して燃焼室5の中心部に集合し得るような配置としてあるため、成層燃焼運転時に燃料を該燃焼室中心の点火プラグ14に向けて確実に搬送することができて、成層燃焼をより一層安定化することができる。
【0045】
更に、吸気ポート6,7の内周面には、制御弁15の周縁の回動軌跡に沿って該制御弁15の周縁を受容する凹部16を形成してあるため、制御弁15の前記図3のB,C何れの閉弁位置にあっても制御弁15の周縁部と吸気ポート6,7の内周面との間に隙間が生じることがなく、閉弁角度に応じて強い逆タンブル流a2 を形成することができる。
【0046】
図7,8は本発明の第2実施形態を示すもので、吸気ポート6,7の吸気弁ステム8a,9aの下流側に配設した制御弁15Aは、前記第1実施形態における半円形の制御弁15の略半分の扇形状に形成されていて、これら吸気ポート6,7の燃焼室中心側の側部で、該吸気ポート6,7の同一片側の略4半分部を閉塞し得るようにしてある。
【0047】
従って、この実施形態では成層燃焼運転時に制御弁15Aを閉弁すると、吸気ポート6,7を流通する吸気流Aは制御弁15Aにより吸気弁8,9の傘部8b,9bの下側へ該制御弁15Aの配置側と反対方向への旋回指向性を持って偏向されて燃焼室5内に流入し、燃焼室5内に図8に示すように周方向の一方向に旋回指向した斜め逆タンブル流a3 を形成してスワール成分を含むようになり、燃焼室中心の点火プラグ14側への燃料の搬送作用を強化することができる。
【0048】
図9に示す第3実施形態は、一方の吸気ポート6にのみ制御弁15Aを前述の第2実施形態と同様にして配置してあり、そして、他方の吸気ポート7の吸気弁9は図外の可変動弁機構により、成層燃焼運転時に制御弁15Aが閉弁している間は該吸気弁9Aのリフトが停止して閉弁状態を維持するようにしたものである。
【0049】
従って、この実施形態では成層燃焼運転時に一方の吸気ポート6内の制御弁15Aが閉弁すると、他方の吸気ポート7の吸気弁9が閉弁状態を維持するため、図8に示したものと同様の斜め逆タンブル流a3 を強めることができる。
【0050】
これら第2,第3実施形態の制御弁15Aの開閉制御による燃焼室5内のガス流動強さを、図3に示したA,B,Cの弁位置に対応させて図4の(ロ)にタンブル比とスワール比として示す。
【0051】
なお、本発明の吸気制御装置は吸気ポート燃料噴射式の機関に適用しても有効であることは云うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態の略示的断面説明図で、(イ)は順タンブル流形成時を、(ロ)は逆タンブル流形成時を示す。
【図2】(イ),(ロ),(ハ)は各異なるポート形状の吸気ポートと制御弁との配置関係を上方からみて示した模式図。
【図3】制御弁と凹部との関係を示す略示的断面斜視図。
【図4】(イ),(ロ)は制御弁の弁位置によるガス流動強さを示す特性図。
【図5】制御弁の作動制御の一例を示すフローチャート。
【図6】制御弁作動制御に用いられる成層燃焼運転と均質燃焼運転とを判別するためのマップ。
【図7】本発明の第2実施形態を示す図2と同様の模式図。
【図8】同第2実施形態の略示的断面説明図。
【図9】本発明の第3実施形態を示す図2と同様の模式図。
【符号の説明】
1 シリンダブロック
2 ピストン
4 シリンダヘッド
5 燃焼室
6,7 吸気ポート
8,9 吸気弁
8a,9a 吸気弁ステム
14 点火プラグ
15,15A 制御弁
16 凹部
A 吸気流
a1 順タンブル流
a2 逆タンブル流
a3 斜め逆タンブル流
Claims (7)
- 吸気ポートの吸気弁ステムの下流側に、吸気ポートを流通する吸気流と略平行な開位置から吸気ポート内の吸気流と直交する断面の半部側に閉弁されることにより、燃焼室内のガス流動を燃焼室中心側からピストン冠面に向かう順タンブル流から、吸気弁配置側の燃焼室側部からピストン冠面に向かう逆タンブル流に変える制御弁を設けたことを特徴とする筒内噴射式火花点火機関の吸気制御装置。
- 制御弁はその閉弁によって、吸気ポートの燃焼室中心側の略半部を、平面視して該吸気ポートを流通する吸気の主流に対して略直角に塞ぐようにした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機関の吸気制御装置。
- 制御弁はその閉弁によって、吸気ポートの燃焼室中心側の略半部を、燃焼室内に発生する逆タンブル流で燃料を燃焼室中心に向けて搬送可能に塞ぐようにした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機関の吸気制御装置。
- 制御弁は2つの吸気ポートに配設されていて、これら制御弁は閉弁時に各吸気ポートの燃焼室中心側の側部で、該吸気ポートの同一片側の略4半部を塞ぐようにした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機関の吸気制御装置。
- 制御弁は2つの吸気ポートの一方に配設されていて、閉弁時に一方の吸気ポートの燃焼室中心側の側部で、該吸気ポートの他方の吸気ポートに隣接した側の略4半部を塞ぐように構成され、かつ、該他方の吸気ポートの吸気弁は一方の吸気ポート内の制御弁が閉弁している間は閉弁するようにした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機関の吸気制御装置。
- 吸気ポートの内周面には、制御弁の周縁の回動軌跡に沿って形成されて該制御弁の周縁部を受容する凹部を備えていることを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の筒内噴射式火花点火機関の吸気制御装置。
- 制御弁は均質燃焼運転時に開弁され、成層燃焼運転時に閉弁されることを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載の筒内噴射式火花点火機関の吸気制御装置。
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