JP3956503B2 - In-cylinder injection spark ignition engine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃焼室に直接燃料を噴射する筒内噴射式火花点火機関に関する。
【0002】
【従来の技術】
筒内噴射式火花点火機関は、例えば特開平9−79079号公報や特許第2577019号公報等に示されているように、シリンダヘッドに吸,排気ポートと、これら吸,排気ポートを開閉する吸,排気弁と、燃焼室のほぼ中心に臨む位置に設けた点火プラグと、噴射ノズルが燃焼室に臨む燃料噴射弁と、を配設して、低負荷域では圧縮行程の後期に燃料噴射弁より直接燃料を燃焼室に噴射して成層燃焼を行わせる一方、高負荷域では吸気行程中に前記燃料噴射を行わせて均質燃焼を行わせるようにしている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
燃料噴射弁は排気弁配置側に配設すると既燃ガスの熱影響を大きく受けてしまい、また、燃焼室中心部に配設すると排気弁配置側に配設した場合と同様に熱影響を大きく受けてしまうことと、燃料噴射弁の中央設置により点火プラグ配設位置が燃焼室中央からずれて火炎伝播が良好に行われなくなってしまうことから、該燃料噴射弁は吸気弁配置側でしかも燃料と空気との混合性を考慮して吸気弁近傍位置に配設する必要があるため、該燃料噴射弁の配設位置が制約されてしまうばかりでなく、吸気ポート周りの構造によって取付角度にも制約を受けて成層燃焼および均質燃焼に最適な配設レイアウトを採ることが難しくなってしまう。
【0004】
これは、特に吸,排気弁が多弁化したエンジンコンセプトでは益々顕著となってしまう。
【0005】
また、このような燃料噴射弁の配設上の問題とは別に、吸気弁の開閉制御によって吸気ポートから吸気を行わせるため、ポンプ損失や動弁系のフリクション損失によるCV値の低下は否めず、特に、筒内噴射式火花点火機関では成層燃焼時に圧縮行程中に噴射された燃料を燃焼室中央の点火プラグ周りに確実に輸送させることが肝要で、このため、吸気ポートには横方向旋回流(スワール)や縦方向旋回流(タンブル流)を生成させるための可変要素を付加する必要があるため、前述のポンプ損失やフリクション損失は更に増大してしまう。
【0006】
更に、成層燃焼時には前述のように圧縮行程で噴射された燃料を新気の旋回流に乗せて点火プラグ周りに輸送させるのであるが、吸気行程で吸気ポートから吸入される新気は吸気ポートの旋回付与手段により旋回流が形成されても、この旋回流は燃料噴射時期には減衰されて、この減衰された旋回流に対して燃料を噴射して燃料の輸送と燃焼を行わせなければならないため、吸気制御と燃料噴射制御のマッチングが難しく、しかも、ガス流動が弱まるために成層燃焼の向上は大きく期待することはできない。
【0007】
そこで、本発明は燃料噴射弁の配設レイアウトの自由度を拡大できると共に、吸気タイミングを適切に設定でき、かつ、強いガス流動を生成させることができて成層燃焼はもとより均質燃焼の燃焼性を一段と向上することができる筒内噴射式火花点火機関を提供するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明にあっては、吸気行程で燃焼室に空気を供給する空気供給手段と、燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグと、ピストン冠面にキャビティ燃焼室とを備え、低負荷域で圧縮行程中に燃料を噴射させて成層燃焼を行わせると共に、高負荷域で吸気行程中に燃料を噴射させて均質燃焼を行わせるようにした筒内噴射式火花点火機関において、前記空気供給手段を、燃焼室に直接空気を噴射する空気噴射弁のみで構成し、成層燃焼時における空気噴射弁の噴射時期を、吸気行程で所定の供給空気量のうち一部を残して噴射させる第1噴射時期と、圧縮行程の前半で残りの空気量を噴射させる第2噴射時期とに多段に設定したことを特徴としている。
【0009】
請求項2の発明にあっては、請求項1に記載の空気噴射弁を燃料噴射弁配置側に配設してこれらの取付角度を、噴射された燃料をキャビティ燃焼室へ輸送できる角度に設定したことを特徴としている。
【0010】
請求項3の発明にあっては、請求項2に記載の空気噴射弁と燃料噴射弁の取付角度を、相互の噴射軸線が交差し、かつ、噴射方向が共にキャビティ燃焼室に指向する角度に設定したことを特徴としている。
【0011】
請求項4の発明にあっては、請求項2および3に記載の空気噴射弁を複数個配設したことを特徴としている。
【0012】
請求項5の発明にあっては、請求項4に記載の空気噴射弁は、アイドリング時に1つの空気噴射弁から空気噴射を行わせて横向きの旋回流を形成させ、部分負荷および高負荷時に全空気噴射弁から空気噴射を行わせて縦向きの旋回流を形成させるようにしたことを特徴としている。
【0014】
請求項6の発明にあっては、吸気行程で燃焼室に空気を供給する空気供給手段と、燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグと、ピストン冠面にキャビティ燃焼室とを備え、低負荷域で圧縮行程中に燃料を噴射させて成層燃焼を行わせると共に、高負荷域で吸気行程中に燃料を噴射させて均質燃焼を行わせるようにした筒内噴射式火花点火機関において、前記空気供給手段を、燃焼室に直接空気を噴射する空気噴射弁のみで構成し、この空気噴射弁を燃料噴射弁配置側に配設してこれらの取付角度を、噴射空気および噴射燃料がキャビティ燃焼室に指向し、かつ、噴射空気の噴射方向が噴射燃料の噴射方向よりも下向きとなって両噴射軸線が交差する角度に設定し、前記成層燃焼時における空気噴射弁の噴射時期を、吸気行程で所定の供給空気量のうち一部を残して噴射させる第1噴射時期と、圧縮行程で燃料噴射直前に残りの空気量を噴射させる第2噴射時期とに多段に設定したことを特徴としている。
【0016】
請求項7の発明にあっては、請求項1〜6に記載の空気噴射弁を、膨脹行程でも噴射作動させるようにしたことを特徴としている。
【0017】
請求項8の発明にあっては、請求項1〜7に記載の空気噴射弁を排気行程でも噴射作動させるようにしたことを特徴としている。
【0018】
請求項9の発明にあっては、請求項1〜8に記載の空気噴射弁の空気通路に、不活性ガス供給通路を接続して、所定量の不活性ガスを混合した空気を噴射させるようにしたことを特徴としている。
【0019】
請求項10の発明にあっては、請求項9に記載の不活性ガス供給通路が、空気噴射弁の空気通路と機関排気通路とに跨って接続されて、排気ガスの一部を導入する排気還流通路であることを特徴としている。
【0020】
【発明の効果】
請求項1に記載の発明によれば、空気供給手段を燃焼室に直接空気を噴射する空気噴射弁で構成して、吸気ポートおよび吸気弁を廃止しているため、燃料噴射弁をこれら吸気ポート,吸気弁に制約されることなく最適な燃料噴射方向が得られる位置および角度に取付けることができる。
【0021】
また、吸気弁およびその動弁系のフリクション損失がなく、しかも吸気弁,吸気ポートの通気抵抗によるポンプ損失がなくなることと併せて、吸気行程で噴射した高圧の空気がピストンの押し下げ方向に作用するためポンプ損失の低減効果が大きく、CV値を高めることができる。
【0022】
更に、高圧の空気噴射によって強いガス流動を形成できるため旋回流付与手段を用いることなく成層燃焼時の点火プラグ周りへの燃料輸送を良好に行わせることができると共に、燃料と空気との干渉を意図的に設定できて燃料の微粒化や成層化を容易に行え、従って、成層燃焼および均質燃焼の燃焼性を向上することができる。
【0023】
また、燃料の吸気行程噴射を行わせるのに際して、燃料噴射弁から噴射された燃料と吸気弁との干渉に留意する必要がないため、燃料噴霧角度を最適に設定することができるから、均質燃焼はもとより成層燃焼の燃焼性をより一層向上することができる。
しかも、成層燃焼時には圧縮行程の前半でも空気噴射を行わせるため、ガス流動を強化して点火プラグ周りへの燃料の輸送性を高められ、成層燃焼をより一層安定化することができる。
【0024】
請求項2に記載の発明によれば、請求項1の発明の効果に加えて、空気噴射弁を吸気ポート,吸気弁による制約を受けることなく、成層燃焼時に噴射された燃料をキャビティ燃焼室へ輸送できる最適な角度に設定してあるから、ガス流動の保存性が高く燃料の点火プラグ周りへの輸送性を向上できて成層燃焼の燃焼性を更に向上することができる。
【0025】
請求項3に記載の発明によれば、請求項2の発明の効果に加えて、空気噴射軸線と燃料噴射軸線とが交差しているため、燃料の吸気行程噴射時に燃料の微粒化を行えると共に、噴射空気より気化潜熱を奮って空気温度を下げられるため、実充填効率を高められて高出力が要求される均質燃焼を行う高負荷域での出力の向上を実現することができ、しかも、噴射空気がキャビティ燃焼室に指向するため、キャビティ燃焼室に燃料が付着するのを抑制できてスモーク発生および未燃HCの発生を低下させることができる。
【0026】
請求項4に記載の発明によれば、請求項2および3の発明の効果に加えて、空気噴射弁を複数個配設してあるため、1つの空気噴射弁では空気供給量が不十分な場合や、過給のようにより多くの空気が必要とする場合に適切に対応することができる。
【0027】
請求項5に記載の発明によれば、請求項4の発明の効果に加えて、アイドリング時には1つの空気噴射弁から空気噴射を行わせて横向きの旋回流(スワール)を形成させるため、供給空気量の少ないアイドリング時でもキャビティ燃焼室に確実にスワールを形成できて燃焼の安定化を図ることができ、他方、部分負荷および高負荷時には全空気噴射弁から空気噴射を行わせて縦向きの旋回流(タンブル流,逆タンブル流)を形成させるため、キャビティ燃焼室への燃料付着を抑制してスモーク,未燃HCの発生を低減でき、均質燃焼,成層燃焼の安定化と出力の向上とを実現することができる。
【0029】
請求項6に記載の発明によれば、空気供給手段を燃焼室に直接空気を噴射する空気噴射弁で構成して、吸気ポートおよび吸気弁を廃止しているため、燃料噴射弁をこれら吸気ポート,吸気弁に制約されることなく最適な燃料噴射方向が得られる位置および角度に取付けることができる。
また、吸気弁およびその動弁系のフリクション損失がなく、しかも吸気弁,吸気ポートの通気抵抗によるポンプ損失がなくなることと併せて、吸気行程で噴射した高圧の空気がピストンの押し下げ方向に作用するためポンプ損失の低減効果が大きく、CV値を高めることができる。
更に、高圧の空気噴射によって強いガス流動を形成できるため旋回流付与手段を用いることなく成層燃焼時の点火プラグ周りへの燃料輸送を良好に行わせることができると共に、燃料と空気との干渉を意図的に設定できて燃料の微粒化や成層化を容易に行え、従って、成層燃焼および均質燃焼の燃焼性を向上することができる。
また、燃料の吸気行程噴射を行わせるのに際して、燃料噴射弁から噴射された燃料と吸気弁との干渉に留意する必要がないため、燃料噴霧角度を最適に設定することができるから、均質燃焼はもとより成層燃焼の燃焼性をより一層向上することができる。しかも、噴射空気および噴射燃料が共にキャビティ燃焼室に指向し、かつ、噴射空気が噴射燃料よりも下向きに噴射されるため、成層燃焼時はキャビティ燃焼室に空気の膜を早い流れとして形成できて、その上に燃料を噴射させるためにキャビティ燃焼室への燃料付着を回避して成層燃焼の安定化と、スモーク,未燃HCの低減化とを図ることができる。
【0030】
また、均質燃焼時には噴射空気と噴射燃料との混合,攪拌を積極的に行えると共に燃料の微粒化を行えるから均質燃焼の安定化を図ることができ、しかも、キャビティ燃焼室に高圧の噴射空気が吹き当るため、該キャビティ燃焼室への燃料付着を回避できてスモーク,未燃HCの低減化を図ることができる。
【0031】
更に、成層燃焼時には圧縮行程で燃料噴射の直前にも空気噴射を行わせるため、キャビティ燃焼室に形成される空気の膜を強化して燃料付着をより確実に防止できると共に、ガス流動を強化できて点火プラグ周りへの燃料の輸送性を高めることができる。
【0032】
請求項7に記載の発明によれば、請求項1〜6の発明の効果に加えて、膨脹行程でも空気噴射弁からの空気噴射を行わせるため、未燃HCの燃焼を活性化させて熱効率を向上できると共にスモーク,未燃HCの低減化対策を徹底することができる。
【0033】
請求項8に記載の発明によれば、請求項1〜7の発明の効果に加えて、排気行程でも空気噴射弁からの空気噴射を行わせるため掃気効率を高めることができる。
【0034】
請求項9に記載の発明によれば、請求項1〜8の発明の効果に加えて、空気噴射弁からは不活性ガスを混合した空気を噴射させるためNOx の低減効果を得ることができる。
【0035】
請求項10に記載の発明によれば、請求項9の発明の効果に加えて、不活性ガスとして既燃ガスを有効利用するため、排気還流によってコスト的に有利にNOx 低減効果を得ることができる。
【0036】
【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。
【0037】
図1,2において、1はシリンダブロック、2はピストン、3はシリンダヘッド、4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3で形成された燃焼室を示す。
【0038】
シリンダヘッド3には燃焼室4のほぼ中央に臨む位置に点火プラグ5を配設してあると共に、図外の排気弁の配置側と反対側の側部に、燃料を直接燃焼室4に噴射する燃料噴射弁6を配設してある。
【0039】
このシリンダヘッド3には通常のエンジンとは異なって吸気ポートおよび吸気弁はなく、前記燃料噴射弁6の配置側に、高圧ポンプ8で圧縮されて空気通路9により送られてくる高圧の空気を直接燃焼室4に噴射する空気噴射弁7を配設してある。
【0040】
ピストン2の冠面には前記燃料噴射弁6を配設した側に偏寄した略半部に、成層燃焼時に圧縮行程中に燃料噴射弁6から噴射された燃料を受容するキャビティ燃焼室10を形成してある。
【0041】
燃料噴射弁6は、成層燃焼時に圧縮行程中に燃料を噴射した際に、この噴射燃料がキャビティ燃焼室4に指向して該キャビティ燃焼室4に確実に受容される角度で取付けてある一方、空気噴射弁7は吸気行程で噴射された空気が例えば図2に矢印で示すように右旋回して横向きの旋回流(スワール)が形成され、圧縮行程でこのスワールがキャビティ燃焼室10内に保存されて該圧縮行程中に噴射された燃料を点火プラグ5周りへ確実に輸送し得る角度で取付けてある。
【0042】
図3は4サイクル行程における成層燃焼時の空気噴射弁7,燃料噴射弁6の各噴射時期と点火プラグ5の点火時期とを示し、また、図4は均質燃焼時のこれら空気噴射弁7,燃料噴射弁6の各噴射時期と点火プラグ5の点火時期とを示しており、Aは空気の噴射時期を、Fは燃料の噴射時期を、Sは点火時期をそれぞれ示している。
【0043】
従って、この第1実施形態の構成によれば、吸気行程で燃焼室4に空気を供給する空気供給手段を、該燃焼室4に直接高圧の空気を供給する空気噴射弁7で構成して、吸気ポートおよび吸気弁を廃止しているため、燃料噴射弁6をこれら吸気ポートや吸気弁に制約を受けることなく最適な燃料噴射方向が得られる位置および角度に取付けることができる。
【0044】
また、吸気弁およびその動弁系のフリクション損失がなく、しかも吸気弁,吸気ポートの通気抵抗によるポンプ損失がなくなることと併せて、吸気行程で噴射した高圧の空気がピストン2の押し下げ方向に作用するためポンプ損失の低減効果が大きく、CV値を高めることができる。
【0045】
更に、高圧の空気噴射によって強いガス流動を形成でき、かつ、空気噴射弁7を吸気ポートや吸気弁による制約を受けずにスワールを形成できる最適な角度で取付けることができるため、旋回流付与手段を用いることなくガス流動の保存性を高めることができ、従って、成層燃焼時に点火プラグ5周りへの燃料の輸送性を高められ、また、空気噴射弁7と燃料噴射弁6との取付角度は燃料と空気との干渉を意図的に設定することもできて燃料の微粒化や成層化を容易に行うことができるから、成層燃焼および均質燃焼の燃焼性を向上することができる。
【0046】
また、燃料の吸気行程噴射を行わせるのに際して、燃料噴射弁6から噴射された燃料と吸気弁との干渉に留意する必要がないため、燃料噴霧角度を最適に設定することができるから、均質燃焼はもとより成層燃焼の燃焼性をより一層向上することができる。
【0047】
図5は本発明の第2実施形態を示すもので、この実施形態にあっては前記図1,2に示した第1実施形態の構成において、成層燃焼時における前述の空気噴射弁7の噴射時期を、吸気行程で所定の供給空気量のうち一部を残して噴射させる第1噴射時期A1 と、圧縮行程の前半で残りの空気量を噴射させる第2噴射時期A2 とに多段に設定してある。
【0048】
従って、この第2実施形態の構成によれば、前記第1実施形態の効果に加えて、成層燃焼時には圧縮行程の前半でも空気噴射を行わせるため、スワールを強化して点火プラグ5周りへの燃料の輸送性を高めることができて、成層燃焼をより一層安定化させることができる。
【0049】
図6,7は本発明の第3実施形態を示すもので、この実施形態にあっては成層燃焼時(図6)および均質燃焼時(図7)の何れの運転状態時にも、膨脹行程で空気噴射弁7を噴射作動させて所要量の追加空気の噴射Aα 1 を行わせるようにしている。
【0050】
従って、この第3実施形態の構成によれば、前記第1実施形態および第2実施形態の効果に加えて、膨脹行程でも燃焼温度の高い温度条件下で空気噴射弁7によって所要量の空気噴射Aα 1 を行わせるため、この追加空気によって未燃HCの燃焼を活性化させて熱効率を向上できると共にスモークおよび未燃HCの低減化対策を徹底することができる。
【0051】
前記第3実施形態では追加空気の噴射を膨脹行程で行わせているが、図8,9に示す第4実施形態のように排気行程でも追加空気の噴射Aα 2 を行わせれば、掃気効率を高めることができる。
【0052】
また、この排気行程での追加空気の噴射Aα 2 を、鎖線で示すように高い燃焼温度が維持される排気行程の前半で行わせれば、膨脹行程で追加空気の噴射Aα1 を行った場合と同様に未燃HCの燃焼の活性化を期待することができ、特に該排気行程ではピストンの上昇によって掻き落されるシリンダライナの付着未燃HCの燃焼活性化を図ることもできる。
【0053】
図10,11は本発明の第5実施形態を示すもので、この実施形態にあっては空気噴射弁7と燃料噴射弁6の取付角度を、両噴射軸線が上下方向および水平方向で交差し、かつ、噴射方向が共にキャビティ燃焼室10に指向する角度に設定してある。
【0054】
従って、この第5実施形態の構成によれば、前記第1実施形態と同様の効果が得られる他、空気噴射軸線と燃料噴射軸線とが交差しているため、燃料の吸気行程噴射時に燃料の微粒化を行えると共に、噴射空気より気化潜熱を奮って空気温度を下げられるため、実充填効率を高められて高出力が要求される均質燃焼を行う高負荷域での出力の向上を実現することができる。
【0055】
しかも、噴射空気がキャビティ燃焼室10に指向するため、キャビティ燃焼室10に燃料が付着するのを抑制できてスモークおよび未燃HCの発生を低下させることができる。
【0056】
ここで、この第5実施形態において、空気噴射弁7の成層燃焼時における噴射時期を図5に示した第2実施形態と同様に、吸気行程における第1噴射時期A1 と、圧縮行程前半における第2噴射時期A2 とに多段に設定すれば、該第2噴射時期A2 でキャビティ燃焼室10に噴射された空気は該キャビティ燃焼室10で十分にイナーシャーを持ったスワールとなって点火プラグ5周りにより確実に燃料を輸送することが可能となり、成層燃焼の安定性を更に高めることができる。
【0057】
また、燃料の早噴き・遅点火を実現することもできるから、混合気形成が良好でかつNOx 低減効果が得られ、しかも、燃焼の熱発生時期が遅れるため熱効率を高めることもできる。
【0058】
図12,13は本発明の第6実施形態を示すもので、この実施形態にあっては空気噴射弁7を複数個、具体的には2つの空気噴射弁7,7を燃料噴射弁6の配置側で、平面視して該燃料噴射弁6の噴射軸線を中心に内向きにほぼ線対称に取付けてある。
【0059】
また、これら2つの空気噴射弁7,7は噴射空気が図12の矢印で示すように、点火プラグ5の下側を通って図外の排気弁側からピストン2の冠面に向って流れる、所謂順タンブルの縦向き旋回流を形成し得る取付角度で配設してある。
【0060】
従って、この第6実施形態の構成によれば、前記第1実施形態と同様の効果が得られる他、2つの空気噴射弁7,7を配設してあるため1つの空気噴射弁7では空気供給量が不十分な場合や、過給のようにより多くの空気が必要とする場合に適切に対応することができる。
【0061】
また、アイドリング時には1つの空気噴射弁7からのみ空気噴射を行わせてスワールを形成させ、部分負荷および高負荷時には両空気噴射弁7,7から同時に空気噴射を行わせて順タンブル流を形成させるようにすれば、供給空気量の少ないアイドリング時でもキャビティ燃焼室10に確実にスワールを形成できて燃焼の安定化を図ることができ、他方、部分負荷および高負荷時には順タンブル流によってキャビティ燃焼室10への燃料付着を抑制してスモーク,未燃HCの発生を低減できるため、均質燃焼,成層燃焼の安定化と出力の向上とを実現することができる。
【0062】
更に、この第6実施形態の場合も図5に示した第2実施形態と同様に、成層燃焼時における2つの空気噴射弁7,7の噴射時期を吸気行程における第1噴射時期A1 と、圧縮行程前半における第2噴射時期A2 とに多段に設定することによって、順タンブル流を強化でき点火プラグ5周りへの燃料の輸送性を高めることができる。
【0063】
なお、この実施形態では順タンブル流を形成させるようにしているが、逆タンブル流を形成できるように空気噴射弁7,7の取付角度を縦向きにすることも可能である。
【0064】
図14,15は本発明の第7実施形態を示すもので、この実施形態にあっては空気噴射弁7を燃料噴射弁6のほぼ直上位置に配置し、これら空気噴射弁7,燃料噴射弁6の取付角度を、噴射空気および噴射燃料がキャビティ燃焼室10に指向し、かつ、噴射空気の噴射方向が噴射燃料の噴射方向よりも下向きとなって相互の噴射軸線が上下方向に交差する角度に設定し、噴射空気が図14の矢印で示すように燃料噴射弁6の前端部分を横切ってキャビティ燃焼室10に向かい、該キャビティ燃焼室10で反転して点火プラグ5に向って流れる、所謂逆タンブル流が形成されるようにしてある。
【0065】
従って、この第7実施形態の構成によれば、前記第1実施形態と同様の効果が得られる他、噴射空気および噴射燃料が共にキャビティ燃焼室10に指向し、かつ、噴射空気が噴射燃料よりも下向きに噴射されて逆タンブル流が形成されるため、成層燃焼時はキャビティ燃焼室10に空気の膜を早い流れとして形成できて、その上に燃料を噴射させるためにキャビティ燃焼室10への燃料付着を回避して成層燃焼の安定化と、スモーク,未燃HCの低減化とを図ることができる。
【0066】
また、均質燃焼時には噴射空気と噴射燃料との混合,攪拌を積極的に行えると共に燃料の微粒化を行えるから均質燃焼の安定化を図ることができ、しかも、キャビティ燃焼室10に高圧の噴射空気が吹き当るため、該キャビティ燃焼室10への燃料付着を回避できてスモーク,未燃HCの低減化を図ることができる。
【0067】
更に、前記図10,11に示した第5実施形態と同様にこの燃料の吸気行程噴射を行う均質燃焼時に、噴射燃料が噴射空気より気化潜熱を奮って空気温度を下げられるため、実充填効率を高められて高出力を得ることができる。
【0068】
図16は本発明の第8実施形態を示すもので、この実施形態にあっては前記図14,15に示した第7実施形態の構造において、成層燃焼時における前述の空気噴射弁7の噴射時期を、吸気行程で所定の供給空気量のうち一部を残して噴射させる第1噴射時期A1 と、圧縮行程後期の燃料噴射時期Fの直前に残りの空気量を噴射させる第2噴射時期に設定してある。
【0069】
従って、この第8実施形態の構成によれば成層燃焼時には圧縮行程で燃料噴射の直前にも空気噴射を行わせるため、キャビティ燃焼室10に形成される空気の膜を強化して燃料付着をより確実に防止できるとともに、逆タンブル流を強化でき点火プラグ5周りへの燃料の輸送性を高めることができる。
【0070】
なお、図10〜16に示した各実施形態において、図6,7、又は図8,9に示した実施形態と同様に膨脹行程、および又は排気行程でも空気噴射弁7を噴射作動させて追加の空気を噴射させることによって、未燃HCの低減効果と掃気効率の向上とを図ることができる。
【0071】
図17は本発明の第9実施形態を示すもので、この実施形態ではNOx 低減対策のため、空気噴射弁7から不活性ガスを混合した空気を燃焼室4に噴射供給するようにしてある。
【0072】
図17では便宜的に図1に示した第1実施形態のエンジンコンセプトに適用した場合を示しており、本実施形態では空気噴射弁7の空気通路9の途中にミキサ室11を設け、該ミキサ室11と排気ポート12とに跨って排気還流通路13を接続し、該排気還流通路13に介装した排気還流制御弁装置14による制御の下に不活性ガスとして吸気量に応じた適正量の還流排気(EGR)を行って、ミキサ室11で新気と混合させて外部EGRを行わせ、NOx の低減効果を得るようにしている。なお、図17中、15は排気弁を示す。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態の構成を概略的に示す断面説明図。
【図2】本発明の第1実施形態の概略的平面説明図。
【図3】本発明の第1実施形態の成層燃焼時における空気噴射時期,燃料噴射時期および点火時期を示す説明図。
【図4】本発明の第1実施形態の均質燃焼時における空気噴射時期,燃料噴射時期および点火時期を示す説明図。
【図5】本発明の第2実施形態の成層燃焼時における空気噴射時期,燃料噴射時期および点火時期を示す説明図。
【図6】本発明の第3実施形態の成層燃焼時における空気噴射時期,燃料噴射時期および点火時期を示す説明図。
【図7】本発明の第3実施形態の均質燃焼時における空気噴射時期,燃料噴射時期および点火時期を示す説明図。
【図8】本発明の第4実施形態の成層燃焼時における空気噴射時期,燃料噴射時期および点火時期を示す説明図。
【図9】本発明の第4実施形態の均質燃焼時における空気噴射時期,燃料噴射時期および点火時期を示す説明図。
【図10】本発明の第5実施形態の構成を概略的に示す断面説明図。
【図11】本発明の第5実施形態の概略的平面説明図。
【図12】本発明の第6実施形態の構成を概略的に示す断面説明図。
【図13】本発明の第6実施形態の概略的平面説明図。
【図14】本発明の第7実施形態の構成を概略的に示す断面説明図。
【図15】本発明の第7実施形態の概略的平面説明図。
【図16】本発明の第8実施形態の成層燃焼時における空気噴射時期,燃料噴射時期および点火時期を示す説明図。
【図17】本発明の第9実施形態の構成を概略的に示す断面説明図。
【符号の説明】
1 シリンダブロック
2 ピストン
3 シリンダヘッド
4 燃焼室
5 点火プラグ
6 燃料噴射弁
7 空気噴射弁
9 空気通路
10 キャビティ燃焼室
12 排気ポート(排気通路)
13 排気還流通路(不活性ガス供給通路)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a direct injection spark ignition engine that injects fuel directly into a combustion chamber.
[0002]
[Prior art]
An in-cylinder injection spark ignition engine, for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-79079 and Japanese Patent No. 2577019, has suction and exhaust ports in the cylinder head and suction and exhaust ports that open and close these suction ports. , An exhaust valve, a spark plug provided at a position substantially facing the center of the combustion chamber, and a fuel injection valve with an injection nozzle facing the combustion chamber, and the fuel injection valve at the latter stage of the compression stroke in the low load region While stratified combustion is performed by directly injecting fuel into the combustion chamber, the fuel injection is performed during the intake stroke to perform homogeneous combustion in a high load region.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
If the fuel injection valve is arranged on the exhaust valve arrangement side, it will be greatly affected by the heat of burned gas, and if it is arranged in the center of the combustion chamber, it will have a large thermal effect as if it was arranged on the exhaust valve arrangement side. The fuel injection valve is located on the side of the intake valve and the fuel injection valve is located on the intake valve arrangement side. In consideration of the mixing characteristics of air and air, it is necessary to dispose the fuel injection valve in the vicinity of the intake valve. Due to restrictions, it becomes difficult to adopt an optimal layout for stratified combustion and homogeneous combustion.
[0004]
This becomes more prominent especially in the engine concept with multiple intake and exhaust valves.
[0005]
In addition to the problem of the arrangement of the fuel injection valve, since intake is performed from the intake port by opening / closing control of the intake valve, a decrease in CV value due to pump loss or valve system friction loss cannot be denied. In particular, in a cylinder-injected spark ignition engine, it is important to reliably transport the fuel injected during the compression stroke during stratified combustion around the ignition plug at the center of the combustion chamber. Since it is necessary to add a variable element for generating a flow (swirl) and a longitudinal swirl flow (tumble flow), the aforementioned pump loss and friction loss are further increased.
[0006]
Furthermore, during stratified combustion, as described above, the fuel injected in the compression stroke is transported around the spark plug on the fresh air swirl flow, but the fresh air sucked from the intake port in the intake stroke is Even if a swirl flow is formed by the swirl imparting means, the swirl flow must be attenuated at the fuel injection timing, and fuel must be injected into the attenuated swirl flow to transport and burn the fuel. Therefore, it is difficult to match the intake control and the fuel injection control. Further, since the gas flow is weakened, the improvement of the stratified combustion cannot be expected greatly.
[0007]
Therefore, the present invention can expand the degree of freedom of the layout of the fuel injection valves, can appropriately set the intake timing, and can generate a strong gas flow, so that the flammability of homogeneous combustion as well as stratified combustion can be improved. An in-cylinder injection spark ignition engine that can be further improved is provided.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In the first aspect of the invention, an air supply means for supplying air to the combustion chamber in the intake stroke, a fuel injection valve for directly injecting fuel into the combustion chamber, a spark plug, a cavity combustion chamber on the piston crown surface, In-cylinder injection spark ignition that injects fuel during the compression stroke in the low load range to perform stratified combustion and injects fuel during the intake stroke in the high load range to perform homogeneous combustion In an engine, an air injection valve for injecting air directly into a combustion chamber as the air supply meansonlyConsists ofThe first injection timing for injecting the air injection valve at the time of stratified combustion leaving a part of the predetermined supply air amount in the intake stroke and the remaining air amount in the first half of the compression stroke are injected. It is characterized in that it is set in multiple stages at two injection timings.
[0009]
In the invention of
[0010]
In the invention of
[0011]
The invention of
[0012]
In the invention according to
[0014]
Claim6In the invention ofAn air supply means for supplying air to the combustion chamber in the intake stroke, a fuel injection valve for directly injecting fuel into the combustion chamber, a spark plug, and a cavity combustion chamber on the piston crown surface, and during the compression stroke in a low load range In the in-cylinder type spark ignition engine in which fuel is injected into the cylinder and stratified combustion is performed and fuel is injected during the intake stroke in a high load range to perform homogeneous combustion, the air supply means It consists only of air injection valves that inject air directly into the chamber.These air injection valves are arranged on the fuel injection valve arrangement side so that their mounting angles are such that the injection air and the injection fuel are directed to the cavity combustion chamber, and the injection direction of the injection air is lower than the injection direction of the injection fuel Set to the angle at which both injection axes intersectThe first injection timing in which the injection timing of the air injection valve during the stratified combustion is injected while leaving a part of the predetermined supply air amount in the intake stroke, and the remaining air amount immediately before fuel injection in the compression stroke. Set in multiple stages for the second injection timingIt is characterized by that.
[0016]
Claim7In the present invention, claims 1 to6The air injection valve described in (1) is characterized in that the injection operation is performed even in the expansion stroke.
[0017]
Claim8In the present invention, claims 1 to7The air injection valve described in (1) is characterized in that the injection operation is performed even in the exhaust stroke.
[0018]
Claim9In the present invention, claims 1 to8An inert gas supply passage is connected to the air passage of the air injection valve described in the above to inject air mixed with a predetermined amount of inert gas.
[0019]
Claim10In the invention of claim9The inert gas supply passage described in (1) is an exhaust gas recirculation passage that is connected across the air passage of the air injection valve and the engine exhaust passage and introduces part of the exhaust gas.
[0020]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, the air supply means is constituted by the air injection valve that directly injects air into the combustion chamber, and the intake port and the intake valve are eliminated. Therefore, it can be mounted at a position and an angle at which an optimum fuel injection direction can be obtained without being restricted by the intake valve.
[0021]
In addition, there is no friction loss of the intake valve and its valve system, and pump loss due to ventilation resistance of the intake valve and intake port is eliminated, and high-pressure air injected in the intake stroke acts in the direction of pushing down the piston. Therefore, the effect of reducing pump loss is great, and the CV value can be increased.
[0022]
Furthermore, since a strong gas flow can be formed by high-pressure air injection, fuel can be transported well around the spark plug during stratified combustion without using swirl flow imparting means, and interference between fuel and air can be prevented. It can be set intentionally and the atomization and stratification of the fuel can be easily performed. Therefore, the flammability of stratified combustion and homogeneous combustion can be improved.
[0023]
In addition, when performing the intake stroke injection of fuel, since it is not necessary to pay attention to the interference between the fuel injected from the fuel injection valve and the intake valve, the fuel spray angle can be optimally set. Besides, the flammability of stratified combustion can be further improved.
Moreover, since air injection is performed even in the first half of the compression stroke during stratified combustion, the gas flow can be enhanced to improve the transportability of fuel around the spark plug, and stratified combustion can be further stabilized.
[0024]
According to the second aspect of the invention, in addition to the effect of the first aspect of the invention, the fuel injected during the stratified combustion is supplied to the cavity combustion chamber without being restricted by the intake port and the intake valve. Since the optimum angle at which the fuel can be transported is set, it is possible to improve the transportability of the fuel around the spark plug and to further improve the combustibility of the stratified combustion because the gas flow is highly conserved.
[0025]
According to the invention described in
[0026]
According to the fourth aspect of the present invention, in addition to the effects of the second and third aspects of the invention, a plurality of air injection valves are provided, so that the air supply amount is insufficient with one air injection valve. It is possible to appropriately cope with the case or when more air is required such as supercharging.
[0027]
According to the fifth aspect of the invention, in addition to the effect of the fourth aspect of the invention, when idling, air is injected from one air injection valve to form a lateral swirl flow (swirl). Even when idling with a small amount, a swirl can be reliably formed in the cavity combustion chamber to stabilize the combustion. On the other hand, during partial load and high load, air injection is performed from the full air injection valve to make a vertical turn Since the flow (tumble flow, reverse tumble flow) is formed, it is possible to reduce the generation of smoke and unburned HC by suppressing fuel adhesion to the cavity combustion chamber, and to stabilize homogeneous combustion and stratified combustion and improve output. Can be realized.
[0029]
Claim6According to the invention described inSince the air supply means is composed of an air injection valve that injects air directly into the combustion chamber and the intake port and intake valve are eliminated, the fuel injection valve is optimal without being restricted by these intake port and intake valve. It can be mounted at a position and angle where the fuel injection direction is obtained.
In addition, there is no friction loss of the intake valve and its valve system, and pump loss due to the ventilation resistance of the intake valve and intake port is eliminated, and high-pressure air injected in the intake stroke acts in the direction of pushing down the piston. Therefore, the effect of reducing pump loss is great, and the CV value can be increased.
Furthermore, since a strong gas flow can be formed by high-pressure air injection, fuel can be transported well around the spark plug during stratified combustion without using swirl flow imparting means, and interference between fuel and air can be prevented. It can be set intentionally and the atomization and stratification of the fuel can be easily performed. Therefore, the flammability of stratified combustion and homogeneous combustion can be improved.
In addition, when performing the intake stroke injection of fuel, since it is not necessary to pay attention to the interference between the fuel injected from the fuel injection valve and the intake valve, the fuel spray angle can be optimally set. Besides, the flammability of stratified combustion can be further improved. Moreover,Since both the injected air and the injected fuel are directed to the cavity combustion chamber and the injected air is injected downward from the injected fuel, an air film can be formed in the cavity combustion chamber as a fast flow during stratified combustion. In order to inject fuel upward, it is possible to avoid the adhesion of fuel to the cavity combustion chamber to stabilize stratified combustion and to reduce smoke and unburned HC.
[0030]
In addition, during homogeneous combustion, mixing and agitation of injected air and injected fuel can be actively performed and fuel atomization can be performed, so that homogeneous combustion can be stabilized, and high-pressure injected air is introduced into the cavity combustion chamber. Since it blows, fuel adhesion to the cavity combustion chamber can be avoided, and smoke and unburned HC can be reduced.
[0031]
Furthermore,During stratified combustion, air injection is also performed immediately before fuel injection in the compression stroke, so the air film formed in the cavity combustion chamber can be strengthened to prevent fuel adhesion more reliably, and gas flow can be strengthened to ignite It is possible to improve the transportability of fuel around the plug.
[0032]
Claim7According to the invention described in claim 1,6In addition to the effects of the present invention, air injection from the air injection valve is performed even in the expansion stroke, so that the combustion of unburned HC can be activated to improve the thermal efficiency and thorough measures to reduce smoke and unburned HC be able to.
[0033]
Claim8According to the invention described in claim 1,7In addition to the effect of the invention, scavenging efficiency can be improved because air is injected from the air injection valve in the exhaust stroke.
[0034]
Claim9According to the invention described in claim 1,8In addition to the effect of the present invention, since air mixed with an inert gas is injected from the air injection valve, the effect of reducing NOx can be obtained.
[0035]
Claim10According to the invention described in claim9In addition to the effect of the present invention, the burned gas is effectively used as the inert gas, so that the NOx reduction effect can be obtained advantageously in terms of cost by the exhaust gas recirculation.
[0036]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0037]
1 and 2, 1 is a cylinder block, 2 is a piston, 3 is a cylinder head, and 4 is a combustion chamber formed by these cylinder block 1,
[0038]
The
[0039]
Unlike the normal engine, the
[0040]
A
[0041]
The
[0042]
FIG. 3 shows the injection timings of the
[0043]
Therefore, according to the configuration of the first embodiment, the air supply means for supplying air to the
[0044]
In addition, there is no friction loss of the intake valve and its valve system, and there is no pump loss due to ventilation resistance of the intake valve and intake port, and high-pressure air injected in the intake stroke acts in the push-down direction of the
[0045]
Furthermore, since a strong gas flow can be formed by high-pressure air injection, and the
[0046]
In addition, when performing the intake stroke injection of the fuel, it is not necessary to pay attention to the interference between the fuel injected from the
[0047]
FIG. 5 shows the second embodiment of the present invention. In this embodiment, in the configuration of the first embodiment shown in FIGS. The first injection timing A in which the timing is injected while leaving a part of the predetermined supply air amount in the intake stroke1And the second injection timing A for injecting the remaining air amount in the first half of the compression stroke2Are set in multiple stages.
[0048]
Therefore, according to the configuration of the second embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, air injection is performed even in the first half of the compression stroke at the time of stratified combustion. Fuel transportability can be improved, and stratified combustion can be further stabilized.
[0049]
FIGS. 6 and 7 show a third embodiment of the present invention. In this embodiment, the expansion stroke is performed in both the stratified combustion (FIG. 6) and the homogeneous combustion (FIG. 7). Injecting the required amount of additional air A by injecting the air injection valve 7α 1I am trying to do.
[0050]
Therefore, according to the configuration of the third embodiment, in addition to the effects of the first embodiment and the second embodiment, a required amount of air injection is performed by the
[0051]
In the third embodiment, the injection of additional air is performed in the expansion stroke. However, as in the fourth embodiment shown in FIGS.α 2If scavenging is performed, scavenging efficiency can be increased.
[0052]
Also, additional air injection A in this exhaust strokeα 2Is performed in the first half of the exhaust stroke in which a high combustion temperature is maintained as indicated by a chain line, the additional air injection Aα is performed in the expansion stroke.1As in the case of performing the above, it is possible to expect the activation of the combustion of the unburned HC, and in particular, in the exhaust stroke, the combustion activation of the unburned HC attached to the cylinder liner that is scraped off by the lift of the piston is also possible. it can.
[0053]
10 and 11 show a fifth embodiment of the present invention. In this embodiment, the mounting angles of the
[0054]
Therefore, according to the configuration of the fifth embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and the air injection axis and the fuel injection axis intersect each other. Atomization can be performed and the air temperature can be lowered by the latent heat of vaporization from the jet air, so the actual filling efficiency can be increased and the output in a high load range where high power is required to achieve high output can be realized. Can do.
[0055]
Moreover, since the injected air is directed to the
[0056]
Here, in the fifth embodiment, the injection timing at the time of stratified combustion of the
[0057]
In addition, it is possible to achieve early fuel injection and late ignition, so that the mixture formation is good and NOxA reduction effect is obtained, and furthermore, the heat generation time of combustion is delayed, so that the thermal efficiency can be increased.
[0058]
12 and 13 show a sixth embodiment of the present invention. In this embodiment, a plurality of
[0059]
Further, these two
[0060]
Therefore, according to the configuration of the sixth embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. In addition, since the two
[0061]
Further, during idling, air is injected from only one
[0062]
Further, in the case of the sixth embodiment, similarly to the second embodiment shown in FIG. 5, the injection timings of the two
[0063]
In this embodiment, the forward tumble flow is formed. However, the mounting angle of the
[0064]
FIGS. 14 and 15 show a seventh embodiment of the present invention. In this embodiment, the
[0065]
Therefore, according to the configuration of the seventh embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, and both the injected air and the injected fuel are directed to the
[0066]
Further, during homogeneous combustion, mixing and agitation of the injected air and the injected fuel can be actively performed and the fuel can be atomized, so that the homogeneous combustion can be stabilized, and the high-pressure injected air is supplied to the
[0067]
Further, as in the fifth embodiment shown in FIGS. 10 and 11, during the homogeneous combustion in which the intake stroke injection of the fuel is performed, the injected fuel is more liable to vaporize latent heat than the injected air, so that the air temperature is lowered. High output can be obtained.
[0068]
FIG. 16 shows an eighth embodiment of the present invention. In this embodiment, in the structure of the seventh embodiment shown in FIGS. 14 and 15, the above-described injection of the
[0069]
Therefore, according to the configuration of the eighth embodiment, during stratified combustion, air injection is performed immediately before fuel injection in the compression stroke. Therefore, the air film formed in the
[0070]
In addition, in each embodiment shown in FIGS. 10 to 16, as in the embodiment shown in FIGS. 6, 7, or FIGS. 8 and 9, the
[0071]
FIG. 17 shows a ninth embodiment of the present invention. In this embodiment, NO is shown.xAs a countermeasure for reduction, air mixed with an inert gas is injected from the
[0072]
FIG. 17 shows a case where it is applied to the engine concept of the first embodiment shown in FIG. 1 for convenience. In this embodiment, a
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory cross-sectional view schematically showing a configuration of a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic plan view illustrating a first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing air injection timing, fuel injection timing, and ignition timing during stratified combustion according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing air injection timing, fuel injection timing, and ignition timing at the time of homogeneous combustion according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing air injection timing, fuel injection timing, and ignition timing during stratified combustion according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing air injection timing, fuel injection timing, and ignition timing during stratified combustion according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing an air injection timing, a fuel injection timing, and an ignition timing at the time of homogeneous combustion according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing air injection timing, fuel injection timing, and ignition timing during stratified combustion according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing air injection timing, fuel injection timing, and ignition timing during homogeneous combustion according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is an explanatory cross-sectional view schematically showing a configuration of a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a schematic plan view illustrating a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional explanatory view schematically showing a configuration of a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a schematic plan view illustrating a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is an explanatory cross-sectional view schematically showing a configuration of a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a schematic plan view illustrating a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 16 is an explanatory diagram showing air injection timing, fuel injection timing, and ignition timing during stratified combustion according to the eighth embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a cross-sectional explanatory view schematically showing a configuration of a ninth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Cylinder block
2 piston
3 Cylinder head
4 Combustion chamber
5 Spark plug
6 Fuel injection valve
7 Air injection valve
9 Air passage
10 Cavity combustion chamber
12 Exhaust port (exhaust passage)
13 Exhaust gas recirculation passage (inert gas supply passage)
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