JP4062990B2

JP4062990B2 - 筒内噴射式火花点火内燃機関

Info

Publication number: JP4062990B2
Application number: JP2002193728A
Authority: JP
Inventors: 幸弘園田; 茂樹宮下; 卓角岡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-07-02
Filing date: 2002-07-02
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2022-07-02
Also published as: JP2004036461A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
気筒内へ直接的に燃料を噴射することにより、点火時点において点火プラグ近傍だけに着火性の良好な混合気（以下、可燃混合気）を形成し、気筒内全体としては希薄な混合気の燃焼を可能にする成層燃焼が公知である。このような成層燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、一般的な内燃機関と同様に、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、及び、ＮＯ_Xを浄化するために、機関排気系には触媒装置が配置されており、機関始動直後からこれら成分を浄化可能とするために触媒装置を早期に暖機することが望まれている。
【０００３】
特開平１０−１５３１３８号公報に開示されている筒内噴射式火花点火内燃機関では、機関始動時において排気ガス温度を高めて触媒装置を早期暖機するために、点火プラグ近傍に可燃混合気を形成するための圧縮行程での主燃料噴射に加えて排気行程でも気筒内へ燃料を噴射するようにすると共に、点火時期を遅角することが提案されている。こうして、点火時期の遅角により燃焼を遅らせて排気行程まで燃焼を持続させ、排気行程噴射の燃料を排気行程においてさらに燃焼させることが意図されている。
【０００４】
この従来技術において、燃料噴射弁は、燃料を円錐状に噴射する一般的なものであり、噴霧燃料の貫徹力は比較的弱い。それにより、機関始動時の主燃料噴射において燃料噴射時期を遅くすると、非常に高い筒内圧力に対して貫徹力の弱い燃料が噴射されることとなり、飛行中に微粒化した燃料はさらに貫徹力が弱められて分散し易く、点火プラグ近傍に可燃混合気を形成することができない。
【０００５】
こうして、主燃料噴射時期は、遅くとも筒内圧力が非常に高まる以前の圧縮行程中期としなければならず、圧縮行程末期には点火プラグ近傍に可燃混合気が形成されることとなる。この可燃混合気を確実に着火燃焼させるためには、可燃混合気が時間的に分散する以前に点火しなければならず、点火時期を大幅に遅角することはできない。それにより、遅くとも膨張行程初期には点火を実施しなければならない。
【０００６】
この点火時期遅角によって、排気行程初期までは、辛うじて燃焼を持続させることはでき、排気行程初期に燃料をさらに噴射すれば、燃焼をさらに持続させて排気ガス温度を高めることができ、触媒装置の早期暖機を実現することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
こうして、前述の従来技術では、排気ガス温度を高めるために、排気行程初期の燃料噴射が必須であり、このような１サイクル二回の燃料噴射は燃料噴射制御を複雑なものとする。
【０００８】
従って、本発明の目的は、燃料噴射制御を複雑化させることなく、排気ガス温度を十分に高めることができる筒内噴射式火花点火内燃機関を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、円錐形状の燃料噴霧より強い貫徹力を有する形状に燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグとを具備し、前記燃料噴射弁により圧縮行程で燃料を噴射し、前記点火プラグ近傍に可燃混合気を形成して成層燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、排気ガス温度を高める時には、前記燃料噴射弁により圧縮上死点近傍で燃料を噴射し、前記点火プラグによる点火時期を膨張行程中期とし、前記圧縮上死点近傍とは、圧縮上死点から圧縮上死点後３０°までのクランク角度範囲であり、前記燃料噴射弁は、厚さの薄い扇形状に燃料を噴射するためのスリット状の噴孔を有することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記膨張行程中期とは圧縮上死点後２０°から５０°までのクランク角度範囲であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１又は２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記排気ガス温度を高める時は機関始動時であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明による請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１又は２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、機関排気系にはＮＯ_X吸蔵還元触媒装置が配置され、前記排気ガス温度を高める時は前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置からＳＯ_Xを放出させる時であることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関を示す概略縦断面図であり、図２は図１におけるピストンの平面図である。これらの図において、１は吸気ポート、２は排気ポートである。吸気ポート１は吸気弁３を介して、排気ポート２は排気弁４を介して、それぞれ気筒内へ通じている。５はピストンであり、凹状のキャビティ８がピストン頂面に形成されている。６は気筒上部中心近傍に配置された点火プラグである。７は気筒上部周囲の吸気ポート側に配置された燃料噴射弁である。
【００１７】
燃料噴射弁７は、スリット状の噴孔を有し、比較的厚さの薄い略扇形状噴霧１０として燃料を噴射するものである。成層燃焼を実施するためには、図１及び２に示すように、圧縮行程後半において燃料をピストン５頂面に形成されたキャビティ８内へ噴射する。こうしてキャビティ８内へ噴射された斜線で示す液状燃料１０は、飛行中に気筒内の吸気との摩擦によって微粒化されてキャビティ８内へ侵入し、キャビティ８の底壁８ａに沿って進行してキャビティ８の燃料噴射弁に対向する対向側壁８ｂによって点火プラグ６近傍に導かれるまでには気化し、点火時点においては、ドットで示すように点火プラグ６近傍だけに可燃混合気を形成する。この可燃混合気を着火燃焼させることにより、成層燃焼として気筒内全体としてはリーンな混合気が燃焼可能となる。
【００１８】
厚さの薄い扇状の燃料噴霧は、キャビティ８の底壁８ａに沿って進行する際に幅方向に拡がるために、キャビティ８の底壁８ａの広範囲部分から良好に熱を吸収することができる。キャビティ８の底壁８ａ上を幅方向に拡がった燃料において、燃料中央部は、キャビティ８の対向側壁８ｂによって上方向に向かう速度成分が付与されて点火プラグ６近傍へ向かい、燃料両側部は、ピストン平面視において円弧状とされたキャビティ８の対向側壁８ｂに対してそれぞれ鋭角に衝突して、上方向へ向かう速度成分が付与されると共に中央方向へ向かう速度成分も付与され、点火プラグ６近傍へ向かう。
【００１９】
こうして、厚さの薄い扇状の燃料噴霧は、従来の円錐状の燃料噴霧に比較して、点火プラグ６近傍に気化程度の良好な一塊の可燃混合気を形成することができる。それにより、成層燃焼時の燃料噴射量を増加させることが可能となり、燃料消費率の低い成層燃焼を高負荷側へ拡大することができる。必要燃料量が多量となる機関高負荷時には、吸気行程で燃料を噴射して均質混合気を気筒内に形成し、均質燃焼を実施するようにしても良い。
【００２０】
成層燃焼は、希薄燃焼であるために、排気ガス中には比較的多くのＮＯ_Xが含まれ、このＮＯ_Xを浄化するために、本筒内噴射式火花点火内燃機関の排気系にはＮＯ_X吸蔵還元触媒装置（図示せず）が配置されている。このＮＯ_X吸蔵還元触媒装置は、排気ガス中の酸素濃度が高い時に排気ガス中のＮＯ_Xを吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯ_Xを放出するものであり、この際に、排気ガス中にＨＣ又はＣＯ等の還元成分が含まれていれば、この還元成分により放出されたＮＯ_Xは還元浄化される。こうして、ＮＯ_Xを大気放出以前に浄化することができる。
【００２１】
本筒内噴射式火花点火内燃機関は、前述したように、リーン空燃比の成層燃焼だけでなく、理論空燃比又はリッチ空燃比での均質燃焼も実施することがあり、この時の排気ガス中に含まれるＨＣ及びＣＯ等を浄化することが必要である。ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置も、一般的には白金等の酸化触媒を有するために、排気ガス中のＨＣ及びＣＯを浄化することができる。しかしながら、三元触媒装置をＮＯ_X吸蔵還元触媒装置とは別に排気系に設けることが好ましい。
【００２２】
本筒内噴射式火花点火内燃機関を含めて一般的な内燃機関において、機関始動直後から排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、及びＮＯ_Xを浄化することが望まれており、そのためには、機関始動直後においてＮＯ_X吸蔵還元触媒装置及び三元触媒装置等の触媒装置を昇温して担持させた触媒を活性化することが必要である。触媒装置を特別な機構を使用せずに簡単に昇温するためには、点火時期を遅角して排気ガス温度を高めれば良いが、大幅に点火時期を遅角して排気ガス温度をかなり高めない限り、触媒装置を早期に暖機することはできない。
【００２３】
図３及び図４は、本筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射弁７により噴射される扇形状噴霧（丸プロット）及び一般的な燃料噴射弁により噴射される円錐形状噴霧（四角プロット）おける経過時間に対する噴霧先端到達距離を示すグラフであり、図３は筒内圧が０．１ＭＰａ（絶対圧）の場合であり、図４は筒内圧が０．５ＭＰａ（絶対圧）の場合である。これらの図に示すように、扇形状噴霧は、円錐状噴霧に比較して、かなり大きな貫徹力を有している。
【００２４】
本実施形態において、機関始動時には点火時期を遅角した成層燃焼を実施するようになっており、但し、燃料噴射時期は圧縮上死点近傍とし、点火時期は膨張行程中期としている。点火時期を膨張行程中期まで遅角すれば、燃焼を排気行程中期程度までは持続させることができ、排気ガス温度を十分に高めて触媒装置の早期暖機が可能となる。この機関始動時における成層燃焼は、通常時の成層燃焼に比較して、ピストン温度が低く、キャビティ８内への燃料付着量が増大するために、気筒内へ供給された吸気量に対して空燃比がストイキ又は僅かにリーンとなるように燃料噴射量が増大される。
【００２５】
図５は、本実施形態における機関始動時の燃料噴射時期及び点火時期を示している。具体的には、燃料噴射は、クランク角度範囲ＩＮＪ内、すなわち、圧縮上死点前３０°から圧縮上死点（０°）までのクランク角度範囲内で開始及び終了され、点火は、クランク角度範囲ＩＧＮ内、すなわち、圧縮上死点後２０°から５０°までのクランク角度範囲内で実施されるようになっている。
【００２６】
燃料噴射弁から気筒内へ噴射される燃料は、飛行中において気筒内の吸気との摩擦により微粒化され、筒内圧が高く吸気密度が大きいほどこの微粒化が促進される。また、噴射燃料の貫徹力が強いほど吸気との摩擦力が大きくなって微粒化は促進される。一般的な円錐形状噴霧は前述したように貫徹力が弱く、圧縮上死点近傍で噴射されると、貫徹力によってはそれほど微粒化は促進されないが、高い筒内圧によって微粒化が促進され、こうして微粒化された燃料は、高い筒内圧によって貫徹力がさらに弱められ、分散してしまう。それにより、円錐形状噴霧を圧縮上死点近傍で噴射したのでは、点火プラグ近傍に可燃混合気を形成することはできない。
【００２７】
本実施形態において、燃料噴射弁７は、スリット状の噴孔を有し、厚さの薄い扇形状に燃料を噴射するものであり、こうして噴射される扇形状噴霧は、前述したように、円錐形状噴霧に比較して高い貫徹力を有している。それにより、圧縮上死点近傍で噴射されて微粒化された燃料の貫徹力が高い筒内圧により弱められても、微粒化燃料は、依然として強い貫徹力を有し分散するようなことはない。それにより、微粒化燃料は、意図するように、ピストン頂面に形成されたキャビティ８内へ侵入し、前述したように、自身貫徹力によってキャビティ８を介して点火プラグ６近傍に達し、点火プラグ６近傍に可燃混合気を形成することができる。ここで形成される可燃混合気は、通常の成層燃焼時の可燃混合気に比較して、確実な着火性を確保するために、前述したように燃料噴射量が増大させられてリッチ側とされている。
【００２８】
こうして、本実施形態では、圧縮上死点近傍での燃料噴射が可能であるために、その直後に形成される可燃混合気が時間的に分散するまでは点火時期を遅角することができ、膨張行程中期への点火時期の遅角が可能となる。また、機関始動時には、筒内温度が低く、ピストン５のキャビティ８内を進行する燃料は、キャビティ８の底壁８ａ及び対向側壁８ｂから十分な熱が与えられない。それにより、もし、通常時の成層燃焼のように、圧縮上死点近傍以前の筒内圧がそれほど高くない時に燃料噴射されると、筒内圧によって飛行中に十分に微粒化が促進されないために、噴射燃料は、大きな塊の液状燃料としてキャビティ８内に侵入し、その多くがキャビティ８内に付着したままとなり易い。それにより、未燃燃料の排出量が増大してしまう。
【００２９】
本実施形態では、機関始動時において、圧縮上死点近傍で燃料を噴射するために、前述したように、キャビティ８から十分な熱が与えられなくても、噴射燃料はキャビティ８内へ到達する以前の飛行中に十分に微粒化されるために、キャビティ８内で気化し易く、キャビティ８への付着燃料が減少するために、未燃燃料の排出量を低減することができる。
【００３０】
図５には、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関のもう一つの実施形態における機関始動時の燃料噴射時期及び点火時期を示している。具体的には、燃料噴射は、圧縮上死点近傍のクランク角度範囲ＩＮＪ’内、すなわち、圧縮上死点前（０°）から圧縮上死点後３０°までのクランク角度範囲内で開始及び終了され、点火は、前述同様に、クランク角度範囲ＩＧＮ内、すなわち、圧縮上死点後２０°から５０°までのクランク角度範囲内で実施されるようになっている。
【００３１】
このクランク角度範囲ＩＮＪ’内において燃料が噴射されると、前述同様に筒内圧が高く、それにより燃料は微粒化されるが、分散するまでは貫徹力が弱まることはなく、点火プラグ６近傍には、膨張行程中期に遅角された点火時期に対して確実に着火燃焼可能な可燃混合気を形成することができる。
【００３２】
ところで、吸気行程において気筒内に吸入された吸気が気筒内を縦方向に旋回する旋回流を発生させることがある。この旋回流は圧縮行程において減衰し、圧縮上死点においてはピストンにより完全に押し潰されて消滅する。しかしながら、圧縮行程末期においては完全に消滅せずに、点火プラグ近傍に形成された可燃混合気を僅かに分散させる。本実施形態では、前述の実施形態のように、旋回流が存在する圧縮行程ではなく、旋回流が完全に消滅した膨張行程で燃料を噴射するようになっているために、旋回流によって点火プラグ近傍に形成された可燃混合気が僅かでも分散させられることはなく、良好な成層燃焼を実現することができる。
【００３３】
また、前述したＮＯ_X吸蔵還元触媒装置は、排気ガス中のＳＯ_XをＮＯ_Xと同様なメカニズムにより吸収する。吸収されたＳＯ_Xは、ＮＯ_Xのように、雰囲気中の酸素濃度を低下させただけでは放出されず、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置におけるＳＯ_X吸収量は徐々に増加する。こうしてＳＯ_X吸収量が増加すると、その分、ＮＯ_Xを吸収することができなくなるために、ＳＯ_X吸収量がある程度となった時には、ＳＯ_Xを放出させなければならない。ＳＯ_Xを放出させるには、雰囲気中の酸素濃度を低下させると共に、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置を加熱することが必要である。この加熱にも、前述したように、燃料噴射時期を圧縮上死点近傍とし点火時期を膨張行程中期として排気ガス温度を高めることは有効である。
【００３４】
これまで説明した実施形態において、噴射燃料を点火プラグ近傍に導くためにピストン頂面のキャビティを使用したが、これは本発明を限定するものではなく、噴射燃料を点火プラグ近傍に導くためのキャビティはシリンダヘッドに設けられていても良く、また、燃料噴射弁から噴射された燃料がキャビティを使用せずに直接的に点火プラグ近傍に向かって気筒内を飛行し、点火プラグ近傍に可燃混合気を形成する筒内噴射式火花点火内燃機関にも、本発明は適用可能である。また、本発明は、同じ燃料噴射圧力で円錐形状の燃料噴霧より強い貫徹力を有する形状に燃料を噴射する燃料噴射弁を使用して成層燃焼を実現する筒内噴射式火花点火内燃機関に適用可能であり、燃料噴射弁は、スリット噴孔を有し扇形状に燃料を噴射するものに限定されることはなく、例えば、柱状等に燃料を噴射するものでも良い。
【００３５】
【発明の効果】
このように、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関は、円錐形状の燃料噴霧より強い貫徹力を有する形状に燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグとを具備し、燃料噴射弁により圧縮行程で燃料を噴射し、点火プラグ近傍に可燃混合気を形成して成層燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、排気ガス温度を高める時には、燃料噴射弁により圧縮上死点近傍で燃料を噴射し、点火プラグによる点火時期を膨張行程中期とするようになっている。強い貫徹力を有する燃料噴霧は、圧縮上死点近傍の高い筒内圧に対して、十分に微粒化されても比較的強い貫徹力を維持し、点火プラグ近傍に確実に可燃混合気を形成することがでる。こうして、圧縮上死点近傍の燃料噴射の後において点火プラグ近傍に可燃混合気を形成することができるために、点火時期を膨張行程中期まで遅角しても可燃混合気が時間的に分散する以前にこれを確実に着火燃焼させることができる。それにより、燃焼を排気行程中期程度まで持続させることが可能となり、１サイクル一回の燃料噴射でも排気ガス温度を十分に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関を示す概略縦断面図である。
【図２】図１のピストンの平面図である。
【図３】筒内圧が０．１ＭＰａの場合の扇形状噴霧及び円錐形状噴霧における経過時間に対する噴霧先端到達距離を示すグラフである。
【図４】筒内圧が０．５ＭＰａの場合の扇形状噴霧及び円錐形状噴霧における経過時間に対する噴霧先端到達距離を示すグラフである。
【図５】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の機関始動時における燃料噴射時期範囲及び点火時期範囲を示す図である。
【符号の説明】
５…ピストン
６…点火プラグ
７…燃料噴射弁
８…キャビティ

Claims

円錐形状の燃料噴霧より強い貫徹力を有する形状に燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグとを具備し、前記燃料噴射弁により圧縮行程で燃料を噴射し、前記点火プラグ近傍に可燃混合気を形成して成層燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、排気ガス温度を高める時には、前記燃料噴射弁により圧縮上死点近傍で燃料を噴射し、前記点火プラグによる点火時期を膨張行程中期とし、前記圧縮上死点近傍とは、圧縮上死点から圧縮上死点後３０°までのクランク角度範囲であり、前記燃料噴射弁は、厚さの薄い扇形状に燃料を噴射するためのスリット状の噴孔を有することを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
前記膨張行程中期とは圧縮上死点後２０°から５０°までのクランク角度範囲である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内燃機関。
前記排気ガス温度を高める時は機関始動時であることを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
機関排気系にはＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒装置が配置され、前記排気ガス温度を高める時は前記ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒装置からＳＯ_Ｘを放出させる時であることを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。