JP4258535B2

JP4258535B2 - 筒内噴射式火花点火内燃機関

Info

Publication number: JP4258535B2
Application number: JP2006216065A
Authority: JP
Inventors: 剛芦澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-08-08
Filing date: 2006-08-08
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2026-08-08
Also published as: JP2008038814A

Description

本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。

気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を圧縮行程末期の点火時期において着火燃焼させる均質燃焼において、気筒内へ供給された吸気により気筒内にタンブル流を形成し、このタンブル流を圧縮行程末期の点火時期まで持続させることにより、点火時期において気筒内にタンブル流による乱れを存在させ、この乱れによって均質混合気の燃焼速度を高めれば、良好な均質燃焼を実現することができる。

タンブル流を圧縮行程末期の点火時期まで持続させるために、吸気ポート内に吸気流制御弁を配置し、この吸気流制御弁によって吸気を吸気ポート上壁に沿わせて気筒内へ供給することにより、気筒内に強いタンブル流を形成する筒内噴射式火花点火内燃機関が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１８０２４７

前述の筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気流制御弁により吸気を吸気ポート上壁に沿わせて気筒内に供給する時には、吸気流制御弁により吸気ポートが絞られることになる。それにより、必要吸気量が比較的少ない時においては、特に問題なく強いタンブル流を気筒内に形成することができるが、必要吸気量が比較的多くなる時においては、吸気流制御弁により吸気ポートを絞ると吸気不足が発生することがあるために、吸気流制御弁によって強いタンブル流を気筒内に形成することはできない。

このような吸気流制御弁を設けなくても、筒内噴射式火花点火内燃機関においては、燃料噴射方向を適当に選択すれば、吸気行程末期の噴射燃料によってタンブル流を強めることができる。しかしながら、噴射燃料の温度が高過ぎると、噴射燃料は減圧沸騰により気化し易くなり、タンブル流を良好に強めることができない。

従って、本発明の目的は、噴射燃料により良好にタンブル流を強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。

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、均質燃焼時に吸気下死点近傍においてシリンダボアへ向けて噴射される燃料によりタンブル流を強める筒内噴射式火花点火内燃機関において、噴射燃料の測定又は推定温度が現在の燃料噴射圧力では噴射燃料の気筒内での減圧沸騰が発生しない設定上限値を上回る時には燃料噴射圧力を低下させ、前記測定又は推定温度が高いほど、燃料噴射圧力をより低下させることを特徴とする。

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、均質燃焼時に吸気下死点近傍においてシリンダボアへ向けて噴射される燃料によりタンブル流を強める筒内噴射式火花点火内燃機関において、噴射燃料の測定又は推定温度が現在の燃料噴射圧力では噴射燃料の気筒内での減圧沸騰が発生しない設定上限値を上回る時には、前記設定上限値以下となるように噴射燃料の温度を低下させることを特徴とする。

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２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁回りを空気流により冷却して噴射燃料の温度を低下させることを特徴とする。

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から３のいずれか一項に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、噴射燃料の前記測定又は推定温度が設定下限値を下回る時には、前記設定下限値以上となるように噴射燃料の温度を上昇させることを特徴とする。

本発明による請求項５に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁の閉弁時に前記燃料噴射弁が開弁しないように通電して開弁アクチュエータを発熱させることにより噴射燃料の温度を上昇させることを特徴とする。

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によれば、噴射燃料の測定又は推定温度が現在の燃料噴射圧力では噴射燃料の気筒内での減圧沸騰が発生しない設定上限値を上回る時には、そのままでは噴射燃料は減圧沸騰して気化し、良好にタンブル流を強めることができないために、測定又は推定温度が高いほど、燃料噴射圧力をより低下させ、噴射燃料が減圧沸騰し難くしている。

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によれば、噴射燃料の測定又は推定温度が現在の燃料噴射圧力では噴射燃料の気筒内での減圧沸騰が発生しない設定上限値を上回る時には、そのままでは噴射燃料は減圧沸騰して気化し、良好にタンブル流を強めることができないために、噴射燃料の温度を設定上限値以下となるように低下させ、噴射燃料が減圧沸騰し難くしている。

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によれば、請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射弁回りを空気流により冷却して噴射燃料の温度を低下させている。

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によれば、請求項１から３のいずれか一項に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、噴射燃料の前記測定又は推定温度が設定下限値を下回る時には、そのままでは噴射燃料は気化し難く、タンブル流を強めることはできても、液状のままシリンダボアへ衝突して付着し、エンジンオイルを希釈させるために、噴射燃料の温度を設定下限値以上となるように上昇させ、噴射燃料を気化し易くしている。

本発明による請求項５に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射弁の閉弁時に燃料噴射弁が開弁しないように通電して開弁アクチュエータを発熱させることにより噴射燃料の温度を上昇させるようにしており、噴射燃料を加熱するための手段を新たに設ける必要はない。

図１は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図であり、均質燃焼のための燃料噴射時期である吸気下死点近傍を示している。同図において、１は気筒上部略中心に配置されて気筒内へ直接的に燃料を噴射するための燃料噴射弁であり、２は燃料噴射弁１の吸気弁側近傍に配置された点火プラグである。図示されていないが、気筒上部の右側には一対の吸気弁が配置されており、左側には一対の排気弁が配置されている。３はピストンである。

本実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関は、燃料噴射弁１により吸気下死点近傍（例えば、燃料噴射終了クランク角度を吸気下死点近傍とするように燃料噴射量に応じて燃料噴射開始クランク角度を設定するか、又は、燃料噴射量に関係なく吸気行程後半に燃料噴射開始クランク角度を設定する）に気筒内へ直接的に燃料を噴射することにより、圧縮行程末期の点火時期には気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を火花点火させて均質燃焼を実施する。

燃料噴射弁１は、図１に示すように、燃料Ｆを斜め下方向にシリンダボアの排気弁側（好ましくは、吸気下死点近傍におけるシリンダボアの排気弁側下部）へ向けて噴射する。燃料噴射弁１から噴射される燃料Ｆの貫徹力は、燃料噴射開始から１ｍｓ後の燃料先端が６０ｍｍ以上に達するように設定される。

このように強い貫徹力の燃料Ｆが気筒上部略中心からシリンダボアの排気弁側へ向けて斜め下方向に噴射されると、気筒内の排気弁側を下降して吸気弁側を上昇するように気筒内に形成されたタンブル流Ｔを燃料の貫徹力により強めることができる。こうして強められたタンブル流Ｔは、圧縮行程後半まで確実に気筒内に持続し、圧縮行程末期の点火時期には気筒内に乱れを発生させるために、燃焼速度の速い良好な均質燃焼を実現することができる。

燃料噴射弁１から噴射される噴射燃料Ｆの形状は、任意に設定可能であり、例えば、単一噴孔から噴射される中実又は中空の円錐形状としても良い。また、スリット状噴孔から噴射される比較的厚さの薄い略扇形状としても良い。また、円弧状スリット噴孔や複数の直線スリット噴孔の組み合わせにより、上側及び排気弁側を凸とする比較的厚さの薄い円弧状断面形状又は折れ線状断面形状としても良い。いずれにしても噴射燃料が前述したような強い貫徹力を有して、気筒内のタンブル流Ｔを加速させるようになっていれば良い。

本実施形態において、点火プラグ２は、燃料噴射弁１より吸気弁側に配置されているために、燃料噴射弁１からシリンダボアの排気弁側へ向けて噴射される燃料により濡らされることはなく、点火時期においてアークを確実に発生させることができる。

本実施形態において、均質燃焼の空燃比は、理論空燃比よりリーンとされ（好ましくは、ＮＯ_Xの生成量が抑制されるリーン空燃比とされる）、燃料消費を抑制するようにしているために、燃焼が緩慢となり易く、前述のようにして燃焼速度を速めることは特に有効である。もちろん、均質燃焼の空燃比は、理論空燃比又はリッチ空燃比としても良く、この場合においても燃焼速度を速めることは有効である。

ところで、このように貫徹力の強い燃料を噴射するためには、燃料噴射弁１の燃料噴射圧力は比較的高く設定される。それにより、噴射燃料の温度が設定上限値を上回る時には、噴射直後に減圧沸騰により気化して貫徹力が急激に失われることがあり、噴射燃料によりタンブル流Ｔを強めることができなくなる。

本実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関では、シリンダヘッドに燃料噴射弁１回りの空間４が形成され、この空間４内へ供給される空気流によって燃料噴射弁１が冷却可能となっている。図１において、５は機関駆動式又は電気駆動式のエアポンプであり、６はエアポンプ５により圧縮された空気が充填される空気蓄圧室である。空気蓄圧室６は、連通路７によって制御弁８を介してシリンダヘッド内の空間４と連通され、連通路７の空間４近傍には、絞り部９が設けられている。空間４は、連通路７とは別の排気通路により大気へ開放している。１ａは燃料噴射弁１の温度を検出するための温度センサである。

好ましくは機関出力低下が問題とならない機関減速時においてエアポンプ５を作動させて、空気蓄圧室６内に圧縮空気を溜めておく。そして、温度センサ１ａにより検出される燃料噴射弁１の温度が高いほど噴射燃料の温度が高くなることに基づき推定される噴射燃料の推定温度が設定上限値より高い時には、燃料噴射弁１の開弁時又はそれ以前において制御弁８を開弁し、空気蓄圧室６内の圧縮空気をシリンダヘッド内の空間４へ噴出させる。それにより、燃料噴射弁１は空間４内の空気流により冷却され、燃料噴射弁１内の燃料温度を低下させて、噴射燃料の温度が設定上限値以下となるために、噴射直後の減圧沸騰が防止され、噴射燃料によりタンブル流Ｔを確実に強めることができる。

噴射燃料の温度は、設定下限値を下回るようになると、気筒内での気化が悪化して噴射燃料の多くが液体のままシリンダボアに衝突してエンジンオイルを希釈させる問題を発生する。それにより、噴射燃料の測定又は推定温度が設定下限値と設定上限値との間となるように、制御弁８によって空間４へ供給する空気流の量を制御することが好ましい。本実施形態において、空間４へ噴出される際に、圧縮空気は、絞り部９を通過するようになっているために、内部エネルギが減少して温度低下し、良好に燃料噴射弁１を冷却することができる。

本実施形態において、噴射燃料の温度は、燃料噴射弁１の外表面温度に基づき推定するようにしたが、もちろん、燃料噴射弁１内の燃料通路に温度センサを配置して、噴射燃料の温度を測定するようにしても良い。また、冷却水温が高いほど噴射燃料が高くなることに基づき、噴射燃料の温度を推定するようにしても良い。

図２は燃料噴射弁１の先端部の断面図である。同図に示すように、燃料噴射弁１は、軸線方向に延在する燃料通路２０が設けられ、燃料通路２０内には軸線方向に移動可能な弁体３０が配置されている。弁体３０の先端のシール部に当接する燃料通路２０のシート部４０より下流側には燃料溜５０が形成されている。噴孔６０は燃料溜５０に連通するように形成される。燃料通路２０は、燃料蓄圧室（図示せず）により供給される高圧燃料により満たされている。

このように構成された燃料噴射弁１において、弁体３０をリフトさせて弁体３０のシール部と燃料通路２０のシート部４０とを離間させると、燃料通路２０内の高圧燃料が燃料溜５０内へ供給され、燃料溜５０内の燃料圧力が気筒内より高圧となれば、燃料溜５０内の燃料が噴孔６０を介して噴射される。一方、弁体３０のシール部を燃料通路２０のシート部４０に当接させると、燃料通路２０内の高圧燃料が燃料溜５０内へ供給されなくなって燃料溜５０内の燃料圧力は低下し、気筒内より低圧となれば、噴孔６０を介しての燃料噴射は停止する。

本実施形態においては、このような燃料噴射弁１の弁体３０のリフト量を無段階に可変とする構造が設けられている。図３は、この構造を概略的に示す図である。図３（Ａ）に示す構造では、弁体３０は、燃料噴射弁本体１０との間に配置された閉弁バネ１１により閉弁方向に付勢されていると共に、燃料噴射弁本体１０との間には圧電歪アクチュエータ（ピエゾアクチュエータ）１２が配置され、圧電歪アクチュエータの伸長が弁体３０を開弁させるようになっている。それにより、圧電歪アクチュエータへ印加する電圧を制御して伸長量を変化させることにより、弁体３０のリフト量を無段階に制御することができる。

一方、図３（Ｂ）に示す構造では、弁体３０は、燃料噴射弁本体１０との間に配置された閉弁バネ１３により閉弁方向に付勢されていると共に、燃料噴射弁本体１０には、弁体３０の基部に対向する電磁アクチュエータ（ソレノイドアクチュエータ）１４が設けられ、電磁アクチュエータの電磁吸引力が弁体３０の開弁方向に作用するようになっている。それにより、電磁アクチュエータへ印加する電圧を制御して、弁体３０に作用する電磁吸引力を変化させることにより、弁体３０のリフト量を無段階に制御することができる。

本実施形態では、このような構造により弁体３０のリフト量を無段階に制御することができるために、噴射燃料の温度が設定上限値を上回る時には、噴射直後の燃料が減圧沸騰により気化して貫徹力が急激に失われることを防止するために、燃料噴射弁１の開弁時において、弁体３０のリフト量を通常時より小さくし、さらに、噴射燃料の測定又は推定温度が高いほど、弁体３０のリフト量をより小さく制御するようにしても良い。弁体３０のリフト量が小さくされるほど、弁体３０のリフト時におけるシート部４０との間の隙間が小さくなるために、この隙間での圧損が大きくなって燃料溜５０内から噴射される燃料圧力は低くなる。

こうして、噴射燃料の測定又は推定温度が設定上限値より高い時には、噴射燃料圧力が低くされ、噴射燃料の測定又は推定温度が高いほど、噴射燃料圧力がより低くされるようになっており、減圧沸騰による噴射直後の燃料気化を防止して噴射燃料によりタンブル流Ｔを確実に強めることができる。

本実施形態では、噴射燃料の貫徹力を無段階に制御するために、弁体３０のリフト量を無段階に変化させて燃料噴射圧力を制御するようにしたが、弁体３０のリフト量を一定として、燃料通路２０内の燃料の一部を燃料タンク等へ戻すようにし、この戻し燃料量を無段階に制御して燃料通路２０内の燃料圧力を無段階に変化させることにより燃料噴射圧力を制御するようにしても良い。弁体３０のリフト量及び燃料通路２０内の燃料圧力は無段階に制御可能としたが、それぞれ、通常のリフト及び通常の燃料圧力を含めて少なくとも三段階に制御可能であれば、噴射燃料の測定又は推定温度が設定上限値より高い時には、噴射燃料圧力を通常時より低くして、噴射燃料の測定又は推定温度が高いほど噴射燃料圧力をより低くするように、二段階の燃料噴射圧力から選択することができ、減圧沸騰による噴射直後の燃料気化を抑制して噴射燃料によりタンブル流Ｔを強めることができる。

前述したように、噴射燃料の温度が設定下限値より低い時には、噴射燃料は気筒内で気化し難くなって液状のままシリンダボアに衝突し、タンブル流を良好に強めることができるが、エンジンオイルを希釈させる問題を発生する。それにより、噴射燃料の推定又は測定温度が設定下限値より低い時には、噴射燃料の温度を設定下限値以上に高めて噴射燃料の気筒内での気化を促進することが好ましい。そのために、例えば、シリンダヘッドの空間４を利用して、燃料噴射弁１の回りに電気ヒータを配置して燃料噴射弁１を加熱するようにすれば良い。

また、噴射燃料の推定又は測定温度が設定下限値より低い時には、燃料噴射弁１の開弁以前において、燃料噴射弁１が開弁しないように通電して開弁アクチュエータ（圧電歪アクチュエータ１２又は電磁アクチュエータ１４）を発熱させることにより、燃料通路２内の燃料温度を上昇させて、噴射燃料の温度を設定下限値以上とするようにしても良い。これによれば噴射燃料の温度を高めるための電気ヒータ等を新たに設ける必要はない。

ところで、機関回転数が高いほど、吸気下死点近傍の筒内温度が高くなるために、噴射燃料は気化し易くなる。それにより、機関回転数が高いほど、前述の設定上限値及び設定下限値を高くすることが好ましい。

本実施形態は、このようにして均質燃焼を実施するものであるが、例えば、機関負荷が設定負荷より低い低負荷時には、燃料噴射弁１により圧縮行程後半において燃料を噴射して成層燃焼を実施するようにしても良い。成層燃焼を実施するためには、ピストン３の頂面にキャビティを形成して、圧縮行程後半にキャビティ内へ噴射される燃料を点火プラグ２近傍へ導いて点火プラグ２近傍に可燃混合気を形成するようにしたり、又は、点火プラグ２を燃料噴射弁１より排気弁側に配置して、燃料噴射弁１により噴射される燃料により直接的に点火プラグ２近傍に可燃混合気を形成したりするようにすれば良い。

本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図である。燃料噴射弁の先端部の概略断面図である。燃料噴射弁の弁体のリフト量を可変とする構造を示す概略図である。

符号の説明

１燃料噴射弁
２点火プラグ
３ピストン
Ｔタンブル流
Ｆ噴射燃料

Claims

均質燃焼時に吸気下死点近傍においてシリンダボアへ向けて噴射される燃料によりタンブル流を強める筒内噴射式火花点火内燃機関において、噴射燃料の測定又は推定温度が現在の燃料噴射圧力では噴射燃料の気筒内での減圧沸騰が発生しない設定上限値を上回る時には燃料噴射圧力を低下させ、前記測定又は推定温度が高いほど、燃料噴射圧力をより低下させることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
均質燃焼時に吸気下死点近傍においてシリンダボアへ向けて噴射される燃料によりタンブル流を強める筒内噴射式火花点火内燃機関において、噴射燃料の測定又は推定温度が現在の燃料噴射圧力では噴射燃料の気筒内での減圧沸騰が発生しない設定上限値を上回る時には、前記設定上限値以下となるように噴射燃料の温度を低下させることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
前記燃料噴射弁回りを空気流により冷却して噴射燃料の温度を低下させることを特徴とする請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
噴射燃料の前記測定又は推定温度が設定下限値を下回る時には、前記設定下限値以上となるように噴射燃料の温度を上昇させることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
前記燃料噴射弁の閉弁時に前記燃料噴射弁が開弁しないように通電して開弁アクチュエータを発熱させることにより噴射燃料の温度を上昇させることを特徴とする請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。