JP4310640B2 - 筒内噴射型内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、筒内噴射型内燃機関に関し、特に、燃料噴射弁から噴射された燃料を主として燃料噴霧の貫徹力により点火プラグまわりに輸送するようにした筒内噴射型内燃機関に関する。

圧縮行程で燃料噴射弁から気筒内へ直接噴射された燃料をピストン頂面に形成された凹状のキャビティによって点火プラグ近傍に導いて点火プラグまわりに可燃混合気を形成して気筒内全体としては希薄な混合気を燃焼可能とする成層燃焼を行う筒内噴射型内燃機関が実用化されている。また、特許文献１には、成層燃焼運転域を高回転高負荷側へ拡大するようにした筒内噴射型内燃機関が記載されている。
特開２００２−１２２０２５号公報

ピストン頂面に凹状のキャビティを備えた筒内噴射型内燃機関によれば、燃料噴射弁から噴射された燃料をキャビティに沿って点火プラグまわりに導くことにより、筒内全体として希薄な混合気を良好に燃焼させて燃費性能などを向上することができる。また、特許文献１に記載のものではその様な効果を広い機関運転域で実現することができる。
しかしながら、この種の筒内噴射型内燃機関のピストン頂面にはキャビティが形成されるので、ピストン形状が複雑になってコスト高になるばかりではなく、燃焼室容積に対する燃焼室内側の表面積の比（Ｓ／Ｖ比）が大になるので、熱損失が増大したり、ノッキングし易くなる。また、ピストン頂面への燃料の付着によりＨＣやスモークが増大することがある。

そこで、本発明は、燃料噴射弁から噴射された燃料を、ピストン頂面のキャビティによらずに主として燃料噴霧自身の貫徹力により点火プラグまわりに輸送するようにした筒内噴射型内燃機関を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、該燃料噴射弁から噴射された燃料を点火する点火部を有した点火プラグとを有する筒内噴射型内燃機関において、燃料噴射弁を、点火プラグの側方から該点火プラグの点火部を挟んでその両側だけに当該点火部に直接当たらないように燃料を噴射するとともに、当該点火部の両側へ噴射される燃料は、点火部を挟んだ噴射燃料の間がシリンダヘッド側では狭く反対のピストン側は広くなる略ハの字状に噴射するように構成し、圧縮行程で燃料噴射を行う場合には、燃料噴射弁から噴射される燃料が点火部の両側に存在するときに点火することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、圧縮行程で燃料噴射を行う場合、圧縮行程中に燃料噴射弁が開弁して、燃料噴射弁から点火プラグの点火部の両側に向けて燃料が噴射される。噴射された燃料は、主としてその貫徹力によって点火部の両側に到達する。また、燃料が噴射されてから点火部の両側に存在するまでの間、燃料の運動に伴って筒内で燃料周辺に空気の流れが発生して、噴射された燃料で挟まれた点火部近傍に十分に気化した点火可能な混合気が形成され、点火プラグが動作して混合気が着火し、筒内全体としては希薄の混合気が燃焼する。すなわち、成層燃焼が行われる。この様に、本発明によれば、頂面にキャビティを有しないピストン（フラットピストン）を備えた内燃機関においても、点火部まわりに可燃混合気を適時に形成して成層燃焼を実現することができる。フラットピストンを備えた内燃機関の場合、熱損失が低減されると共にノッキングが抑制され、低燃費化、高出力化が図られる。

また、本発明では、点火プラグの点火部の両側に燃料が噴射されるので、点火部には燃料噴霧が直接当たらず、従って、燃料噴霧による点火部の燻りが防止される。また、点火部に燃料を噴射した場合には点火部に燃料液滴が付着したり、点火部まわりにオーバーリッチ混合気が形成される一方、点火部から離れたところに燃料を噴射した場合には点火部まわりにオーバーリーン混合気が形成され、いずれの場合にも良好な燃焼を望み得ない。この点、本発明によれば、点火部の両側へ噴射される燃料とこの燃料の運動によって燃料周辺に誘発された空気流とにより点火部まわりに形成される混合気は、理想的な成層混合気を構成する。すなわち、点火部付近に点火可能な混合気が形成されることはもとより、点火部から離れるにしたがって徐々に燃料希薄になる混合気が形成される。従って、点火部まわりに局所的なオーバーリッチ混合気やオーバーリーン混合気が形成されず、その様な混合気による失火の発生、燃費や排ガス性能の悪化が防止される。

また、点火部の両側に燃料を側方から噴射する本発明によれば、噴射された燃料がピストンに衝突する割合が大幅に低減し、燃料の気化潜熱がピストンに奪われることによる吸気冷却効率の低下が防止される。
また、本発明では、燃料噴射弁は点火プラグの側方から点火プラグの点火部の両側に燃料を噴射するものになっており、そのため例えば、燃料噴射弁はシリンダヘッドの周縁部やシリンダ周壁に配置される。この様な配置の燃料噴射弁は、シリンダヘッドの中央部に配置される燃料噴射弁に比べて耐久性に優れる。

請求項２に記載の発明は、燃料噴射弁を、該燃料噴射弁から噴射された燃料が点火部の両側を経てシリンダヘッドに到達可能なように構成したことを特徴とする。
請求項２記載の発明によれば、燃料が点火部の両側を経てシリンダヘッドへ向けて噴射されるので、ピストンへの燃料の衝突率が激減して吸気冷却効率が増大する。また、シリンダヘッドへ向けて噴射させた燃料が排気弁またはその近傍に衝突する場合、燃焼室内で相対的に高温度であってノッキングの原因となる排気弁などが冷却され、ノッキングが抑制されて出力増大に寄与する。

また、シリンダライナへ向けて燃料を噴射するようにした内燃機関の場合、燃料がシリンダライナに付着した後にピストンによりかき落とされるので、かき落とされた燃料によるオイルの希釈（ダイリューション）ひいてはオイルの粘度低下、燃費悪化や、油膜切れによるスカッフを来すおそれがある。この点、請求項２の発明は、燃料を点火部の両側を経てシリンダヘッドへ向けて噴射するものになっており、噴射された燃料のうちピストンによりかき落とされる燃料の割合が激減し、従って、ピストンによる燃料のかき落としによるオイルの希釈や油膜切れをきたすおそれが大幅に低減する。

請求項２の発明において、圧縮行程噴射の場合は請求項１の発明と同様、燃料が点火プラグの点火部の両側に到達して点火部まわりに成層混合気が形成されたときに点火プラグが作動して成層燃焼が行われる。一方、圧縮行程噴射以外の場合、例えば、燃料を吸気行程で噴射させる吸気行程噴射の場合には、燃料噴射弁から噴射された燃料が例えばシリンダヘッドに到達し且つ十分に気化した時期に点火プラグを作動させて均一燃焼を行うことができる。

請求項１に記載の発明によれば、圧縮行程噴射の場合、燃料噴射弁から点火プラグの点火部の両側に向けて噴射された燃料が主としてその貫徹力によって点火部の両側に到達して点火部まわりに点火可能な混合気が形成されたときに点火プラグを動作させるので、ピストン頂面にキャビティを有しない内燃機関においても、成層燃焼を実現することができる。また、点火部に燃料噴霧が直接当たらないので、点火部の燻りを防止することができる。そして、点火部まわりに理想的な成層混合気を形成して、失火の発生を防止すると共に燃費や排ガス性能を向上させることができる。更に、燃料のピストンへの衝突率を大幅に低減して吸気冷却効率を向上させることができる。

請求項２に記載の発明によれば、燃料を点火部の両側を経てシリンダヘッドへ向けて噴射するので、ピストンへの燃料の衝突率低減により吸気冷却効率の増大を図れることはもとより、燃料のピストンによるかき落としに起因するオイルの希釈や油膜切れをきたすおそれを大幅に低減することができる。

以下、本発明の第１実施形態による筒内噴射型内燃機関について説明する。
本実施形態の内燃機関は、燃料噴射モードを切り換えることで吸気行程噴射モードまたは圧縮行程噴射モードでの燃料噴射（機関運転）を選択的に実施可能な筒内噴射型火花点火式ガソリンエンジンから構成されている。また、このエンジンは、燃料噴射モードの切換えと空燃比制御とにより、理論空燃比（ストイキオ）、リッチ空燃比またはリーン空燃比での運転を選択的に実現可能なように構成されている。

図１に示すように、本実施形態の筒内噴射型エンジンはエンジン本体（以下、エンジンという）１を備え、エンジン１のシリンダヘッド２には各気筒毎に点火プラグ４と共に電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられ、点火プラグ４には点火コイル８が接続されている。燃料噴射弁６には、燃料パイプ７を介して、燃料タンクおよび燃料ポンプを擁した燃料供給装置（図示せず）が接続され、燃料タンク内の燃料を燃料噴射弁６から燃焼室内に所望の燃圧で直接噴射できるようになっている。

シリンダヘッド２には各気筒毎に略直立方向に延びる吸気ポート９が形成され、各吸気ポート９と連通可能なように吸気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。そして、吸気マニホールド１０には、吸入空気量を調節する電磁式のスロットル弁１４及び吸入空気量を検出する吸気量センサ１６が設けられている。
また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に略水平方向に延びる排気ポート１１が形成され、各排気ポート１１と連通可能なように排気マニホールド１２の一端がそれぞれ接続されている。排気マニホールド１２の他端には排気管（排気通路）２０が接続され、排気管２０には排気浄化用の触媒コンバータたとえば三元触媒３０が配されている。

電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）６０は、入出力装置、記憶装置、中央処理装置、タイマカウンタ等を備えており、総合的なエンジン制御を行うものになっている。すなわち、ＥＣＵ６０の入力側には、吸気量センサ１６、クランク角を検出するクランク角センサ６２等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類から検出情報が入力される。なお、クランク角センサ６２のクランク角情報に基づきエンジン回転速度Ｎeが求められる。

一方、ＥＣＵ６０の出力側には、燃料噴射弁６、点火コイル８、スロットル弁１４等の各種出力デバイスが接続されており、ＥＣＵ６０により燃料噴射モードが設定され、燃焼空燃比（目標Ａ／Ｆ）が設定されると、各種出力デバイスには目標Ａ／Ｆや各種センサ類からの検出情報に基づいて演算された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期、スロットル開度の各信号がそれぞれ出力される。これにより、燃料噴射弁６から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ４により適正なタイミングで火花点火が実施され、また、スロットル弁１４が適正な開度とされる。

以下、図３〜図６を参照して、上記基本構成を有するエンジン１につき更に説明する。
エンジン１のシリンダ３にはピストン５が嵌挿されている。本実施形態では頂面が平坦なフラットピストン５を用いるが、これに限定されるものではない。点火プラグ４は、シリンダヘッド２の略中央に配され、この点火プラグ４の一側に一対の吸気弁１７（吸気ポート９）が配置され、点火プラグ４の他側には一対の排気弁１８（排気ポート１１）が配置されている。

燃料噴射弁６は、吸気弁１７の側方においてシリンダヘッド２に装着されている。この燃料噴射弁６は、側面視、その軸線がピストン５の頂面と例えば４５°よりも小さい鋭角（例えば３０°〜４０°）をなすと共に（図３）、平面視、燃料噴射弁６の軸線が点火プラグ４の点火部（電極）４ａの中心を通るように配されている（図５）。燃料噴射弁６の先端には、スリット状の第１および第２噴孔６ａが形成されており（図６）、図示を省略するが、両噴孔６ａは正面からみて互いに離間して略ハの字状をなしている。

上記構成の燃料噴射弁６は、点火プラグ４の側方から点火プラグの点火部４ａを挟んでその両側に燃料を噴射し、図３〜図５に示した形状の燃料噴霧を形成するものになっている。すなわち、燃料噴霧は、燃料噴射弁６の第１および第２噴孔６ａからそれぞれ噴射される第１および第２燃料噴霧７１、７２からなる。
各燃料噴霧７１、７２は、側面視（図３）、中心角がたとえば約３０°の扇形形状をなす一方、正面視（図４）では例えば扁平な楕円形状をなすものになっている。なお、燃料噴霧７１、７２の断面形状は楕円形状に限定されず、例えば矩形でも良い。また、正面からみて（図４）、燃料噴霧７１、７２は、全体として、交差角度が約１２０°の略ハの字状をなしている。

そして、各燃料噴霧７１、７２は、平面視（図５）では中心角がたとえば約３０°の扇形形状をなし、両者の間には、中心角がたとえば約１０°の扇形形状の隙間部７３が形成される。この隙間部７３には噴射弁から直接輸送される燃料がほとんど存在しない。図５から分かるように、点火プラグ４の点火部４ａは隙間部７３に位置し、従って、燃料噴射弁６から噴射された燃料噴霧７１、７２は点火部４ａに当たることがない。

なお、第１及び第２燃料噴霧７１、７２ならびに隙間部７３に係る角度パラメータの最適値は、燃料噴射弁６と点火プラグ４との位置関係、シリンダボア径、点火部４ａの寸法などに応じて変化するものであり、上述の角度パラメータ値は例示である。
上記構成において、主としてエンジン１に加わる負荷に応じて、ＥＣＵ６０により吸気行程噴射モードまたは圧縮行程噴射モードが選択される。

圧縮行程噴射モードが選択された場合、ＥＣＵ６０により燃料噴射時期、燃料噴射期間、点火時期などが算出される。そして、エンジン１の圧縮行程中に燃料噴射時期が到来すると、ＥＣＵ６０の制御下で燃料噴射弁６が開弁して、燃料噴射弁６の第１および第２噴孔６ａから点火プラグ４の点火部４ａの両側に向けて第１および第２燃料噴霧７１、７２が噴射される。

噴射された燃料噴霧７１、７２は、正面視略ハの字状をなして燃焼室内を主としてその貫徹力によって拡散してゆき、点火部４ａの両側に到達する。この様に燃料噴霧７１、７２が噴射されてから点火部４ａの両側に到達するとき、燃料噴霧７１、７２の運動に伴う動圧により、シリンダ３内において燃料噴霧７１、７２の周辺に空気の流れが発生する。燃料噴霧７１、７２が断面扁平であるので、燃料微粒子が空気と良好に接触しつつ空気と混合し、十分に気化した可燃混合気が形成され、略ハの字状に噴霧された燃料で挟まれる点火部には点火可能な可燃混合気が形成される。すなわち、燃料噴霧７１、７２の周辺には燃料の気化により混合気が形成され、燃料噴霧で挟まれた領域つまり点火部には安定した点火可能な混合気を提供することが可能となる。

燃料噴霧７１、７２が点火部４ａの両側に到達して点火部４ａまわりに点火可能な混合気が形成されたときに点火時期が到来し、ＥＣＵ６０の制御下で点火プラグ４が動作して可燃混合気が着火し、筒内全体としては希薄の混合気が燃焼する。すなわち、成層燃焼が行われる。この様に、燃料噴射時期が到来してから、燃料噴射弁６から噴射された燃料噴霧７１、７２が点火部４ａの両側に到達するまでの飛翔時間が経過したときに、点火プラグ４が作動する。すなわち、点火時期は、図２に模式的に示すように燃料噴射時期と燃料噴霧の飛翔時間との和に略等しくなるように設定される。換言すれば、燃料噴射時期および点火時期の双方が、図２にハッチングを施して示した安定燃焼域に入るように設定される。

この結果、フラットピストン５を備えたエンジン１においても、点火部４ａまわりに点火可能な混合気を適時に形成して成層燃焼を実現することができる。フラットピストン５を備えるエンジン１の場合、熱損失が低減されると共にノッキングが抑制され、低燃費化、高出力化が図られる。
また、点火部４ａの両側に燃料噴霧７１、２が噴射されるので、点火部４ａには燃料噴霧７１、７２が直接当たらず、燃料噴霧による点火部４ａの燻りが防止される。そして、点火部４ａの両側へ噴射される燃料噴霧７１、７２とその運動によって燃料噴霧の周辺に誘発された空気流とにより、点火部４ａ付近に点火可能な混合気が形成され、更には、点火部４ａから離れるにしたがって徐々に燃料希薄になる混合気が形成される。従って、点火部４ａまわりには理想的な成層混合気が形成され、局所的なオーバーリッチ混合気やオーバーリーン混合気による失火の発生、燃費や排ガス性能の悪化が防止される。

また、点火部４ａの両側に燃料噴霧７１、７２を側方から噴射するので、噴射された燃料噴霧がピストン５に衝突する割合が大幅に低減し、燃料の気化潜熱がピストン５で奪われることによる吸気冷却効率の低下が防止される。
また、燃料噴射弁６はシリンダヘッド２の周縁部に配置されており、シリンダヘッド２の中央部に配置される燃料噴射弁に比べて耐久性に優れる。

以下、図７を参照して、本発明の第２実施形態による筒内噴射型内燃機関について説明する。
第２実施形態の筒内噴射型内燃機関は、第１実施形態のものと略同一構成であるが、燃料噴射弁６から噴射された燃料噴霧（図７に参照符号８０で示す）が点火プラグ４の点火部４ａの両側を経てシリンダヘッド２に到達可能なように、燃料噴射弁６を構成した点に特徴がある。このため、燃料噴射弁６は、第１実施形態のものと形状が異なる噴孔（図示略）を有している。

第２実施形態の内燃機関において、圧縮行程噴射モードでは、第１実施形態の場合と同様、燃料噴霧８０が点火プラグ４の点火部４ａの両側に到達して点火部４ａまわりに成層混合気が形成されたときに点火プラグ４が作動して成層燃焼が行われ、第１実施形態のものと同様の効果が奏される。
一方、吸気行程噴射モードでは、燃料噴射弁６から噴射された燃料噴霧８０がシリンダヘッド２に到達し且つ十分に気化したタイミングで点火プラグ４が動作し、シリンダ３内で均一燃焼が行われる。この様に、燃料噴霧８０が点火部４ａの両側を経てシリンダヘッド２へ向けて噴射されるので、燃料噴霧による点火部４ａの燻りが発生せず、また、ピストン５への燃料噴霧８０の衝突率が激減して吸気冷却効率が増大する。

図７から分かるように、燃料噴霧８０は、図５の排気弁１８に対応する図示しない排気弁およびその近傍に衝突するようになっており、燃焼室内で相対的に高温度であってノッキングの原因となる排気弁が冷却されるので、ノッキングが抑制されて出力増大に寄与する。
また、燃料噴霧８０がシリンダヘッド２へ向けて噴射されるので、シリンダ３の周壁（シリンダライナ）には殆ど到達しない。ここで、シリンダライナに燃料が付着すると、この付着燃料はその後ピストン５によりかき落とされて、オイルの希釈ひいてはオイルの粘度低下、燃費悪化や油膜切れによるスカッフを招来する原因になるが、第２実施形態ではシリンダライナへの燃料の付着が抑制されるので、噴射燃料全量に対するピストン５によりかき落とされる燃料の割合が激減し、オイルの希釈や油膜切れをきたすおそれが大幅に低減する。

以上で第１および第２実施形態の説明を終えるが、本発明は両実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記各実施形態では、本発明を４弁式のエンジンに適用した場合について説明したが、本発明はそれ以外のエンジンたとえば２弁式のものにも適用可能である。
また、燃料噴射弁の一対の噴孔を略ハの字状に形成することは必須ではなく、全体として逆Ｖ字状や逆Ｕ字状をなす一対の噴孔を互いに離間して配置しても良く、また、一対の噴孔を互いに離間して一直線上に配置しても良い。更に、一対の噴孔に代わる一対の噴孔群を設けた燃料噴射弁を用いることもできる。

また、燃料噴射弁をシリンダヘッドに設けることは必須ではなく、シリンダ周壁の上部に設けても良い。

本発明の第１実施形態による筒内噴射型内燃機関の概略図である。 図１の内燃機関における安定燃焼域を点火時期、燃料噴射時期および燃料噴霧飛翔時間の関数で模式的に示す図である。 図１の内燃機関の点火プラグまわりの構成を燃料噴霧形状と共に示す拡大部分図である。 図１および図３に示した燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧を正面断面で示す一部断面拡大部分図である。 燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧を水平断面で示す一部断面拡大部分図である。 一対の噴孔が設けられた燃料噴射弁の先端部を水平断面で示す拡大部分断面図である。 本発明の第２実施形態による筒内噴射型内燃機関の点火プラグまわりの構成を燃料噴霧形状と共に示す拡大部分図である。

符号の説明

１ 筒内噴射型内燃機関
２ シリンダヘッド
３ シリンダ
４ 点火プラグ
４ａ 点火部
５ ピストン
６ 燃料噴射弁
６ａ 噴孔
１７ 吸気弁
１８ 排気弁
７１、７２、８０ 燃料噴霧

Claims (2)

1. 内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、該燃料噴射弁から噴射された燃料を点火する点火部を有した点火プラグとを有する筒内噴射型内燃機関において、
   上記点火プラグの側方から該点火プラグの点火部を挟んでその両側だけに当該点火部に直接当たらないように燃料を噴射するとともに、当該点火部の両側へ噴射される燃料は、点火部を挟んだ噴射燃料の間がシリンダヘッド側では狭く反対のピストン側は広くなる略ハの字状に噴射するように上記燃料噴射弁を構成し、
   上記内燃機関の圧縮行程で燃料噴射を行う場合、上記燃料噴射弁から噴射される燃料が上記点火部の両側に存在するときに点火する
   ことを特徴とする筒内噴射型内燃機関。
2. 上記燃料噴射弁を、該燃料噴射弁から噴射された燃料が上記点火部の両側を経てシリンダヘッドに到達可能なように構成したことを特徴とする請求項１記載の筒内噴射型内燃機関。

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