JP4082277B2 - In-cylinder direct injection CNG engine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧縮天然ガス(CNG:Compressed Natural Gas)を筒内に直接噴射し、エンジンの運転条件に応じて成層燃焼と均質燃焼とを切り替え可能な筒内直噴CNGエンジンに関し、さらに詳しくは、簡易な構成によって成層燃焼および均質燃焼の両方を成立させることができる筒内直噴CNGエンジンに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、エネルギー対策や環境対策等の観点から、自動車用内燃機関の燃料として圧縮天然ガス(CNG)を利用するとともに、その燃費の向上や出力向上を図るべく、筒内にCNG燃料を燃料噴射弁によって直接噴射し、エンジンの運転条件に応じて成層燃焼と均質燃焼とを切り替え可能な筒内直噴CNGエンジン(以下、適宜CNGエンジンと記す)の開発が盛んに行われており、種々の技術が提案されている。
【0003】
たとえば、ピストン頂面にキャビティを有する筒内直噴CNGエンジン(特許文献1参照)や、ピストン頂面に凸部を有する筒内直噴CNGエンジン(特許文献2参照)が開示されている。
【0004】
なお、キャビティを有しないピストンを備え、シリンダブロックに吸排気ポートを有する2サイクルの直噴LPG(液化天然ガス)エンジン(特許文献3参照)等が開示されている。
【0005】
【特許文献1】
特開2000−328997号公報
【特許文献2】
特開2002−221037号公報
【特許文献3】
特表2000−503745号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記第1および第2の従来技術にあっては、成層燃焼を行うために、ピストンにキャビティを形成し、これによって可燃混合気である燃料噴霧を点火プラグ近傍に導いている。
【0007】
しかしながら、均質燃焼時においては、このキャビティの作用により、点火プラグ付近へのリッチな混合気の集中によって熱効率が低下し、混合気の均質性が悪いためにトルクも低下するという課題があった。すなわち、成層燃焼と均質燃焼とが両立していなかった。
【0008】
また、ピストンにキャビティを形成するために、コストアップとなるという課題があった。
【0009】
さらに、第3の従来技術にあっては、フラットピストンを備えてはいるが、2サイクル直噴LPGエンジンに関する技術であり、本質的にエンジン構成が異なるとともに、直噴CNGエンジンについて簡易な構成によって成層燃焼および均質燃焼の両方を成立させるための手段については開示されていない。
【0010】
この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成によって成層燃焼および均質燃焼の両方を成立させることができる筒内直噴CNGエンジンを提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、この発明に係る筒内直噴CNGエンジンは、エンジンの運転条件に応じて成層燃焼と均質燃焼とを切り替える筒内直噴CNGエンジンにおいて、シリンダボア内に往復自在に設けられ頂面に実質的にキャビティを有しないフラットピストンと、燃焼室内の吸気側に配設されCNG燃料を当該燃焼室内に直接噴射する燃料噴射弁と、前記燃焼室のほぼ中央に配設された点火プラグとを少なくとも備え、前記燃料噴射弁の噴射孔の向きと前記フラットピストンの頂面とのなす角度は、低負荷かつ低回転域の成層燃焼時に噴射された燃料噴霧が、混合気を形成しながら前記フラットピストンの頂面に反射して前記点火プラグ近傍に導かれる一方、高負荷かつ高回転域の均質燃焼時に噴射された燃料噴霧が、混合気を形成しながら前記フラットピストンの頂面および排気側のシリンダボア壁を利用して前記点火プラグ近傍に導かれるように設定されていることを特徴とするものである。
【0012】
CNG燃料は気体燃料であるため、液体燃料(たとえば、ガソリン)のようにピストンへの付着やボアフラッシング(オイル希釈)といった問題が生じない。また、燃料噴霧速度が速く、気化による運動量低下がないので、燃焼室を形成する面での反射等を利用し易い。これらの特長を踏まえ、上記のように構成した結果、以下のような作用効果を奏する。
【0013】
すなわち、低負荷かつ低回転域では、燃料噴射期間が短く空気との混合時間も短くて済むので、燃料噴霧を吸気側ピストン頂面で反射させ、混合気を点火プラグ近傍に導くように、比較的遅角側で噴射時期および点火時期を最適化することで成層燃焼を実現する。
【0014】
また、上記の場合よりも負荷および回転数が高い領域では、燃料噴射期間が長く空気との混合時間も長くなるので、噴射初期は燃料噴霧を排気側ピストン頂面で反射させ、排気側シリンダボア壁を利用して混合気を点火プラグ近傍に導く。すなわち、上記低負荷かつ低回転域の場合よりも、進角側で噴射時期および点火時期を最適化することで成層燃焼を実現する。
【0015】
また、高負荷かつ高回転域では、燃料噴霧を燃焼室全体で空気と混合させる必要があるので、燃料噴射時期をより進角側(圧縮行程前半あるいは吸気行程後半)に設定し、ピストン頂面および排気側シリンダボア壁を利用して燃焼室全体で混合させる。
【0016】
したがって、この発明によれば、成層燃焼および均質燃焼の両方を成立させることができる。また、実質的にキャビティを有しないフラットピストンを備えているので、ピストン製作のコストダウンを図ることができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る筒内直噴CNGエンジンの実施の形態につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【0018】
CNG燃料は気体燃料であるため、液体燃料(たとえば、ガソリン)のようにピストンへの付着やボアフラッシング(オイル希釈)といった問題が生じない。また、燃料噴霧の速度が速く、気化による運動量低下がないので、燃焼室を形成する各壁面での反射等を利用し易い。そこで、これらの特長を踏まえて、この発明を以下のように構成した。
【0019】
ここで、図1は、この発明の実施の形態に係る筒内直噴CNGエンジンの概略構成を示す断面図であり、燃焼室内における燃料噴霧の流れの様子を模式的に示したものである。
【0020】
また、図2は、燃料噴霧が混合気を形成しながらフラット頂面の排気側で反射し、排気側のシリンダボア壁を利用して点火プラグ近傍に導かれる様子を示す模式図である。
【0021】
また、図3は、燃料噴霧が混合気を形成しながらフラット頂面の吸気側で反射し、点火プラグ近傍に導かれる様子を示す模式図である。
【0022】
また、図4は、燃料噴霧がフラット頂面とシリンダボア壁の全体を利用して混合気を形成する様子を示す模式図である。
【0023】
図1に示すように、CNGエンジン10は、後述するインジェクタ23によってCNG燃料を燃焼室10aに直接噴射する直噴式であり、通常の直噴式のガソリンエンジンの構成とほぼ同様に構成され、エンジンの運転条件に応じて成層燃焼と均質燃焼とを切り替え可能に構成されている。
【0024】
このCNGエンジン10の燃焼室10aは、シリンダボア11とシリンダヘッド13とシリンダボア11内に往復自在に配設されたフラットピストン12とによって構成されている。このフラットピストン12の頂面は、実質的にキャビティを有しておらず、ほぼ平坦なフラット頂面12aとして形成されている。
【0025】
燃焼室10aのほぼ中央には、混合気に点火するための点火プラグ14が配設されている。また、燃焼室10aを臨む吸気ポート15には吸気弁16が配設され、燃焼室10aを臨む排気ポート18には排気弁20が配設されている。また、燃焼室10aの吸気弁16近傍には、CNG燃料を燃焼室10aに直接噴射するインジェクタ23が配設されている。
【0026】
このインジェクタ23の噴射孔の向きとフラット頂面12aとのなす角度、すなわち噴射角度θは、図2〜図4に示した混合気形成パターンをすべて満足するように設定されている。
【0027】
すなわち、噴射角度θは、図3に示すように、低負荷かつ低回転域の成層燃焼時に噴射された燃料噴霧23aが、混合気を形成しながらフラット頂面12aに反射して点火プラグ14近傍に導かれるように設定されている。
【0028】
また、噴射角度θは、上記の場合よりも負荷および回転数が高い領域においては、図2に示すように、噴射初期の燃料噴霧23aが排気側のフラット頂面12aで反射し、排気側のシリンダボア壁11aを利用して点火プラグ14近傍に導かれるように設定されている。
【0029】
また、噴射角度θは、図4に示すように、高負荷かつ高回転域の均質燃焼時に噴射された燃料噴霧23aが、混合気を形成しながらフラット頂面12aおよび排気側のシリンダボア壁11aを利用して点火プラグ14近傍に導かれるように設定されている。
【0030】
なお、CNGエンジン10のその他の構成は、通常の直噴式のガソリンエンジンの構成とほぼ同様であるので、説明を省略する。
【0031】
また、CNGエンジン10のフラットピストン12、点火プラグ14、吸気弁16、排気弁20、インジェクタ23等は、各種センサ情報等に基づいて、図示しない電子制御ユニット(ECU)によって制御されている。
【0032】
以上のように構成したCNGエンジン10は、以下のように制御される。すなわち、図3に示すように、低負荷かつ低回転域では、燃料噴射期間が短く、空気との混合時間も短くて済むので、燃料噴霧23aを吸気側のフラット頂面12aで反射させ、混合気を点火プラグ14近傍に導くように、比較的遅角側で噴射時期および点火時期を最適化することで成層燃焼を実現する。
【0033】
また、図2に示すように、上記の場合よりも負荷および回転数が高い領域では、燃料噴射期間が長く、空気との混合時間も長くなるので、噴射初期は燃料噴霧23aを排気側のフラット頂面12aで反射させ、排気側のシリンダボア壁11aを利用して混合気を点火プラグ14近傍に導く。すなわち、上記低負荷かつ低回転域の場合よりも、進角側で噴射時期および点火時期を最適化することで成層燃焼を実現する。
【0034】
また、図4に示すように、高負荷かつ高回転域では、燃料噴霧23aを燃焼室10a全体で空気と混合させる必要があるので、燃料噴射時期をより進角側(圧縮行程前半あるいは吸気行程後半)に設定し、フラット頂面12aおよび排気側のシリンダボア壁11aを利用して燃焼室10a全体で混合させる。
【0035】
以上のように、この実施の形態に係るCNGエンジン10によれば、成層燃焼および均質燃焼の両方を成立させることができる。また、このCNGエンジン10は、実質的にキャビティを有しないフラットピストン12を備えているので、ピストン製作のコストダウンを図ることができる。
【0036】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係る筒内直噴CNGエンジンによれば、成層燃焼および均質燃焼の両方を成立させることができる。また、この筒内直噴CNGエンジンは、実質的にキャビティを有しないフラットピストンを備えているので、ピストン製作のコストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態に係る筒内直噴CNGエンジンの概略構成を示す断面図である。
【図2】燃料噴霧が混合気を形成しながらフラット頂面の排気側で反射し、排気側のシリンダボア壁を利用して点火プラグ近傍に導かれる様子を示す模式図である。
【図3】燃料噴霧が混合気を形成しながらフラット頂面の吸気側で反射し、点火プラグ近傍に導かれる様子を示す模式図である。
【図4】燃料噴霧がフラット頂面とシリンダボア壁の全体を利用して混合気を形成する様子を示す模式図である。
【符号の説明】
θ 噴射角度
10 CNGエンジン
10a 燃焼室
11 シリンダボア
11a シリンダボア壁
12 フラットピストン
12a フラット頂面
13 シリンダヘッド
14 点火プラグ
15 吸気ポート
16 吸気弁
18 排気ポート
20 排気弁
23 インジェクタ(燃料噴射弁)
23a 燃料噴霧[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an in-cylinder direct injection CNG engine capable of directly injecting compressed natural gas (CNG) into a cylinder and switching between stratified combustion and homogeneous combustion according to engine operating conditions. The present invention relates to an in-cylinder direct injection CNG engine that can realize both stratified combustion and homogeneous combustion with a simple configuration.
[0002]
[Prior art]
In recent years, from the viewpoints of energy and environmental measures, compressed natural gas (CNG) has been used as a fuel for automobile internal combustion engines, and CNG fuel has been injected into the cylinder to improve fuel efficiency and output. In-cylinder direct injection CNG engine (hereinafter referred to as “CNG engine” where appropriate) that can directly switch between stratified combustion and homogeneous combustion according to engine operating conditions has been actively developed. Has been proposed.
[0003]
For example, an in-cylinder direct injection CNG engine (see Patent Document 1) having a cavity on the piston top surface and an in-cylinder direct injection CNG engine (see Patent Document 2) having a convex portion on the piston top surface are disclosed.
[0004]
A two-cycle direct injection LPG (liquefied natural gas) engine (see Patent Document 3) having a piston without a cavity and an intake / exhaust port in a cylinder block is disclosed.
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2000-328997 A [Patent Document 2]
JP 2002-221037 A [Patent Document 3]
Japanese translation of PCT publication No. 2000-503745
[Problems to be solved by the invention]
In the first and second prior arts, in order to perform stratified combustion, a cavity is formed in the piston, thereby guiding a fuel spray, which is a combustible air-fuel mixture, in the vicinity of the spark plug.
[0007]
However, at the time of homogeneous combustion, there is a problem that due to the action of the cavity, the heat efficiency is lowered due to the concentration of the rich air-fuel mixture near the spark plug, and the torque is also lowered due to the poor homogeneity of the air-fuel mixture. That is, stratified combustion and homogeneous combustion were not compatible.
[0008]
Moreover, since the cavity is formed in the piston, there is a problem that the cost is increased.
[0009]
Furthermore, in the third prior art, although it has a flat piston, it is a technology related to a two-cycle direct injection LPG engine, which is essentially different in engine configuration and has a simple configuration for a direct injection CNG engine. No means is disclosed for establishing both stratified and homogeneous combustion.
[0010]
The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide an in-cylinder direct injection CNG engine that can achieve both stratified combustion and homogeneous combustion with a simple configuration.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an in-cylinder direct injection CNG engine according to the present invention is an in-cylinder direct injection CNG engine that switches between stratified combustion and homogeneous combustion in accordance with the operating conditions of the engine. A flat piston having substantially no cavity on the top surface, a fuel injection valve disposed on the intake side of the combustion chamber and directly injecting CNG fuel into the combustion chamber, and disposed substantially at the center of the combustion chamber. The angle between the direction of the injection hole of the fuel injection valve and the top surface of the flat piston is such that the fuel spray injected during stratified combustion in a low load and low rotation region While being formed, it is reflected on the top surface of the flat piston and guided to the vicinity of the spark plug, while the fuel spray injected at the time of homogeneous combustion in a high load and high rotation region forms an air-fuel mixture. It is characterized in that the is configured as guided to the spark plug vicinity by utilizing the top surface and the exhaust side of the cylinder bore wall of the flat piston while.
[0012]
Since CNG fuel is a gaseous fuel, problems such as adhesion to the piston and bore flushing (oil dilution) do not occur like liquid fuel (for example, gasoline). In addition, since the fuel spray speed is high and there is no momentum reduction due to vaporization, it is easy to use reflection on the surface forming the combustion chamber. Based on these features, the configuration as described above results in the following operational effects.
[0013]
In other words, at low load and low speed range, the fuel injection period is short and the mixing time with air is short, so the fuel spray is reflected at the top surface of the intake side piston and the mixture is guided to the vicinity of the spark plug. The stratified charge combustion is realized by optimizing the injection timing and the ignition timing on the retarded angle side.
[0014]
Also, in the region where the load and the rotational speed are higher than in the above case, the fuel injection period is long and the mixing time with air is long, so that the fuel spray is reflected at the top surface of the exhaust side piston at the initial stage of injection, and the exhaust side cylinder bore wall Is used to guide the air-fuel mixture to the vicinity of the spark plug. That is, stratified combustion is realized by optimizing the injection timing and the ignition timing on the advance side as compared with the case of the low load and low rotation range.
[0015]
Also, at high load and high speed, fuel spray needs to be mixed with air throughout the combustion chamber, so the fuel injection timing is set to the more advanced side (first half of the compression stroke or second half of the intake stroke) and the piston top surface And the whole combustion chamber is mixed using the exhaust side cylinder bore wall.
[0016]
Therefore, according to the present invention, both stratified combustion and homogeneous combustion can be established. Moreover, since the flat piston which does not have a cavity substantially is provided, the cost of piston manufacture can be reduced.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a direct injection CNG engine according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
[0018]
Since CNG fuel is a gaseous fuel, problems such as adhesion to the piston and bore flushing (oil dilution) do not occur like liquid fuel (for example, gasoline). Moreover, since the fuel spraying speed is high and there is no momentum reduction due to vaporization, it is easy to use reflection on each wall surface forming the combustion chamber. In view of these features, the present invention is configured as follows.
[0019]
Here, FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the in-cylinder direct injection CNG engine according to the embodiment of the present invention, and schematically shows the flow of fuel spray in the combustion chamber.
[0020]
FIG. 2 is a schematic view showing a state in which the fuel spray is reflected on the exhaust side of the flat top surface while forming an air-fuel mixture and guided to the vicinity of the spark plug using the cylinder bore wall on the exhaust side.
[0021]
FIG. 3 is a schematic view showing a state in which the fuel spray is reflected on the intake side of the flat top surface while forming an air-fuel mixture and guided to the vicinity of the spark plug.
[0022]
FIG. 4 is a schematic view showing how fuel spray forms an air-fuel mixture using the entire flat top surface and cylinder bore wall.
[0023]
As shown in FIG. 1, the
[0024]
The
[0025]
A
[0026]
The angle formed by the direction of the injection hole of the
[0027]
That is, as shown in FIG. 3, the
[0028]
In the region where the load and the rotational speed are higher than in the above case, the injection angle θ is reflected by the flat
[0029]
Further, as shown in FIG. 4, the injection angle θ is such that the
[0030]
Since the other configuration of the
[0031]
The
[0032]
The
[0033]
In addition, as shown in FIG. 2, in the region where the load and the rotational speed are higher than in the above case, the fuel injection period is long and the mixing time with air is also long. The air-fuel mixture is reflected by the
[0034]
Further, as shown in FIG. 4, in a high load and high rotation range, the
[0035]
As described above, according to the
[0036]
【The invention's effect】
As described above, according to the direct injection CNG engine according to the present invention, both stratified combustion and homogeneous combustion can be established. Moreover, since this in-cylinder direct injection CNG engine is provided with the flat piston which does not have a cavity substantially, it can aim at the cost reduction of piston manufacture.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an in-cylinder direct injection CNG engine according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view showing a state in which fuel spray is reflected on the exhaust side of the flat top surface while forming an air-fuel mixture and guided to the vicinity of a spark plug using a cylinder bore wall on the exhaust side.
FIG. 3 is a schematic view showing a state in which fuel spray is reflected on the intake side of the flat top surface while forming an air-fuel mixture and guided to the vicinity of a spark plug.
FIG. 4 is a schematic diagram showing how fuel spray forms an air-fuel mixture using the entire flat top surface and cylinder bore wall.
[Explanation of symbols]
23a Fuel spray
Claims (1)
シリンダボア内に往復自在に設けられ頂面に実質的にキャビティを有しないフラットピストンと、
燃焼室内の吸気側に配設されCNG燃料を当該燃焼室内に直接噴射する燃料噴射弁と、
前記燃焼室のほぼ中央に配設された点火プラグと、
を少なくとも備え、
前記燃料噴射弁の噴射孔の向きと前記フラットピストンの頂面とのなす角度は、
低負荷かつ低回転域の成層燃焼時に噴射された燃料噴霧が、混合気を形成しながら前記フラットピストンの頂面に反射して前記点火プラグ近傍に導かれる一方、
高負荷かつ高回転域の均質燃焼時に噴射された燃料噴霧が、混合気を形成しながら前記フラットピストンの頂面および排気側のシリンダボア壁を利用して前記点火プラグ近傍に導かれるように、
設定されていることを特徴とする筒内直噴CNGエンジン。In the in-cylinder direct injection CNG engine that switches between stratified combustion and homogeneous combustion according to engine operating conditions,
A flat piston that is reciprocally provided in the cylinder bore and has substantially no cavity on the top surface;
A fuel injection valve disposed on the intake side of the combustion chamber and directly injecting CNG fuel into the combustion chamber;
A spark plug disposed substantially in the center of the combustion chamber;
Comprising at least
The angle formed by the direction of the injection hole of the fuel injection valve and the top surface of the flat piston is
While the fuel spray injected at the time of stratified combustion in a low load and low rotation region is reflected to the top surface of the flat piston while forming an air-fuel mixture, it is guided to the vicinity of the spark plug,
The fuel spray injected at the time of homogeneous combustion in a high load and high rotation range is guided to the vicinity of the spark plug using the top surface of the flat piston and the cylinder bore wall on the exhaust side while forming an air-fuel mixture.
An in-cylinder direct injection CNG engine characterized by being set.
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