JP4582049B2

JP4582049B2 - 筒内噴射式火花点火内燃機関

Info

Publication number: JP4582049B2
Application number: JP2006150002A
Authority: JP
Inventors: 剛芦澤; 修冨野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-05-30
Filing date: 2006-05-30
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2026-05-30
Also published as: JP2007321585A

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後半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後半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。

それにより、このような吸気流制御弁を配置することなく、シリンダボアの排気弁側に沿って下降して気筒内を旋回するタンブル流を、吸気行程末期において気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁によりシリンダボアの排気弁側へ向けて噴射された燃料の貫徹力を利用して強めることが考えられる。

しかしながら、こうして必要量の燃料の全てが気筒内の排気弁側へ向けて噴射されると、点火時期までに十分に均質化された均質混合気を気筒内に形成することが難しくなる。また、点火プラグが燃料噴射弁より排気弁側に配置されていると、気筒内の排気弁側に比較的多量に噴射される燃料によって点火プラグが濡らされてアークの発生が阻害されることがある。

従って、本発明の目的は、均質燃焼時に噴射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、点火時期での均質混合気の均質性を改善すると共に、点火プラグによるアークの発生を良好にすることである。

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、気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁と、気筒上部において前記燃料噴射弁より吸気弁側に配置された点火プラグとを具備し、均質燃焼に際して、前記燃料噴射弁は、シリンダボアの排気弁側に沿って下降して気筒内を旋回するタンブル流を強めるために、吸気行程末期においてシリンダボアの排気弁側へ向けて燃料を噴射し、シリンダボアの排気弁側へ向けて噴射される燃料量より少量の燃料を、前記燃料噴射弁又は別の燃料噴射弁によって気筒内の吸気弁側へ噴射す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、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、ピストン頂面の排気弁側にはキャビティが形成され、前記点火プラグは、気筒上部周囲の吸気弁側に配置されてい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、均質燃焼に際して、気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁によって、吸気行程末期においてシリンダボアの排気弁側へ向けて燃料が噴射されるためにタンブル流が強められ、また、シリンダボアの排気弁側へ向けて噴射される燃料量より少量の燃料が、気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁又は別の燃料噴射弁によって気筒内の吸気弁側に噴射される。それにより、必要量の全てが気筒内の排気弁側へ噴射される場合に比較して、一部の燃料が気筒内の吸気弁側へも噴射され、気筒内全体に燃料が噴射されることとなるために、点火時期において気筒内に形成される均質混合気の均質性を改善することができる。また、点火プラグは、気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁より吸気弁側に配置されているために、気筒内の排気弁側に比較的多量の燃料が噴射されても噴射燃料により濡らされることがなく、点火時期において良好にアークを発生させることができる。

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によれば、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、ピストン頂面の排気弁側にはキャビティが形成されているために、タンブル流はシリンダボアの排気弁側に沿って下降してキャビティにより主に気筒内の排気弁側を旋回し、圧縮行程末期の点火時期における気筒内隙間は、キャビティによって排気弁側が大きく、吸気弁側が小さくなる。点火プラグは気筒上部周囲の吸気弁側に配置されているために、気筒内隙間の小さな吸気弁側から燃焼が開始され、この火炎が気筒内隙間の大きな排気弁側へ伝播する。このような燃焼に際して、一部の燃料が気筒内の吸気弁側へ噴射されているために、気筒内の排気弁側へ噴射された比較的多量の燃料がタンブル流と共に主に気筒内の排気弁側を旋回しても、吸気弁側の気筒内隙間には確実に混合気が形成され、点火プラグによって吸気弁側の気筒内隙間から確実に燃焼を開始させることができる。排気弁側の気筒内隙間には、タンブル流による乱れが発生しており、ここでは、吸気弁側の気筒内隙間から火炎伝播されると、燃焼速度の速い燃焼が実現される。こうして、燃焼開始当初の燃焼速度はそれほど速くはなく、次いで、燃焼速度が速められるために、全体的な燃焼速度を速くすることができると共に、熱放出が抑制されて高い熱効率を実現することができる。

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吸気行程末期の概略縦断面図であり、図２は図１のシリンダヘッドの底面図である。また、図３は図１の筒内噴射式火花点火内燃機関の圧縮行程末期の点火時期を示している。これらの図において、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る。図１及び３においては図示されていないが、気筒上部の右側には一対の吸気弁２が配置され、左側には一対の排気弁３が配置されている（図２参照）。４は燃料噴射弁１より吸気弁側に配置された点火プラグである。本実施形態においては、点火プラグ４は、特に、気筒上部周囲の吸気弁側に配置されている。

５はピストンであり、ピストン頂面の排気弁側には、シリンダボアの排気弁側に沿って下降するタンブル流を上方へ偏向するキャビティ５ａが形成されている。図１に示すように、本実施形態では、ピストン５の頂面のキャビティ５ａによって、吸気行程において気筒内に吸入される吸気によって形成されるタンブル流Ｔは、シリンダボアの排気弁側に沿って下降して主に気筒内の排気弁側を旋回する。

本筒内噴射式火花点火内燃機関は、気筒内に理論空燃比よりリーンな均質混合気を形成し、この混合気を点火プラグ４により着火燃焼させる均質燃焼を実施するものである。この均質燃焼のリーン空燃比は、ＮＯ_X生成量が比較的少なくなるように設定される（例えば、２０）。高出力が必要な高回転高負荷時等においては、理論空燃比又はリッチ空燃比での均質燃焼を実施するようにしても良い。また、機関排気系に排気ガスの空燃比がリーンである時にＮＯ_Xを吸蔵するＮＯ_X吸蔵触媒装置が配置されている場合においては、ＮＯ_X吸蔵触媒装置から吸蔵ＮＯ_Xを放出して還元浄化する時には、燃焼空燃比を設定リッチ空燃比とする均質燃焼が実施される。

特に、リーン空燃比での均質燃焼は、点火時期において気筒内に乱れを存在させて燃焼速度を速めないと、所望の機関出力が得られない。それにより、タンブル流Ｔを圧縮行程後半まで持続させて点火時期において気筒内に乱れを存在させることが好ましい。しかしながら、シリンダヘッドを厚くして吸気ポートの形状配置を工夫したり、吸気ポート内に吸気流制御弁を設けたりしない限り、一般的に気筒内に形成されるタンブル流は、それほど強いものではなく、圧縮行程後半までには容易に消滅し、点火時期においてタンブル流により気筒内に乱れを存在させることはできない。

それにより、本実施形態においては、吸気行程において気筒内に形成されたタンブル流Ｔを、吸気行程末期において燃料噴射弁１により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燃料Ｆ１の貫徹力によって強めるようにしている。こうして強められたタンブル流Ｔは、圧縮行程後半まで持続し、その後はピストンとシリンダヘッドとの間で潰されることにより点火時期において気筒内に乱れを存在させることができる。燃料噴射弁１から噴射される燃料Ｆ１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することが好ましい。吸気行程末期の燃料噴射において、吸気下死点近傍が燃料噴射終了時期となるように、機関運転状態に応じて決定される必要燃料噴射量に基づき燃料噴射開始時期が設定される。また、燃料噴射開始時期を吸気行程後半において固定して、必要燃料噴射量を噴射するようにしても良い。

本実施形態において、燃料噴射弁１は、例えば、スリット状の噴孔を有して比較的厚さの薄い略扇形状に燃料を噴射し、この燃料噴霧Ｆ１の幅方向の中心平面が、タンブル流Ｔと平行に気筒中心軸線を通る縦平面とほぼ一致するようにされる。この縦平面は図１の断面であり、図２には、燃料噴霧Ｆの幅方向の中心断面Ｃが図示されている。燃料噴射弁１は、円弧状スリット噴孔を有してシリンダボア側に凸の円弧断面形状の燃料噴霧を、又は、円形噴孔を有して円錐状の燃料噴霧を噴射するものでも良い。また、燃料噴射弁１は、スリット状の噴孔に代えて列状に形成された複数の丸噴孔により扇形状又は円弧断面形状の燃料噴霧を噴射するようにしても良い。

しかしながら、機関運転状態に応じて決定される必要量の燃料の全てを、シリンダボアの排気弁側に向けて噴射すると、ピストン頂面にキャビティが形成されておらず、タンブル流がシリンダボアの排気弁側に沿って下降してシリンダボアの吸気弁側に沿って上昇する場合においても、噴射燃料が点火時期までに十分に気筒内全体に分散せず、点火時期における均質混合気が十分な均質性を有していないことがある。また、本実施形態のように、ピストン５の頂面の排気弁側にキャビティ５ａが形成されている場合には、噴射燃料の多くはタンブル流Ｔと共に気筒内の排気弁側を旋回することとなり、気筒内の吸気弁側の混合気が希薄となって、均質混合気の均質性が悪化し易い。

本実施形態において、燃料噴射弁１は、前述した燃料噴霧Ｆ１のための噴孔とは別の噴孔を有し、図１に示すように、この噴孔から燃料噴霧Ｆ１と同時に気筒内の吸気弁側へ燃料噴霧Ｆ２を噴射するようにしている。燃料噴霧Ｆ２の噴射量は、燃料噴霧Ｆ１の噴射量より少なく、例えば、必要量の１０％程度となるように、燃料噴霧Ｆ２用噴孔の大きさ及び数が、燃料噴霧Ｆ１用噴孔の大きさ及び数に対して設定される。こうして、必要量の一部が気筒内の吸気弁側へ噴射され、気筒内全体に燃料が噴射されることとなるために、点火時期において気筒内に形成される均質混合気の均質性を改善することができる。

本実施形態において、燃料噴霧Ｆ１はタンブル流Ｔを強めた後にタンブル流Ｔと共に移動し、シリンダボアの排気弁側へ向けて噴射されてもシリンダボアへ付着することはないが、燃料噴霧Ｆ２は、シリンダボアの吸気弁側へ向けて噴射されると、シリンダボアに付着してエンジンオイルを希釈させることがある。それにより、燃料噴霧Ｆ２は、図１に示すように、吸気行程末期において、ピストン５の頂面の吸気弁側へ向けて斜め下方向に噴射されることが好ましい。また、燃料噴霧Ｆ２は、図２に示すように、開弁中の二つの吸気弁２に衝突させないように、二つの吸気弁２の間へ向けて噴射されることが好ましい。気筒内の吸気弁側へ噴射される燃料噴霧Ｆ２の形状は、気筒内の排気弁側へ噴射される燃料噴霧Ｆ１と同形状としても良いが、噴射量を少なくするために、図１及び２に示すような単一の丸噴孔から噴射される柱状とすることが好ましい。

点火プラグ４は、燃料噴射弁１より吸気弁側に配置されているために、気筒内の排気弁側に比較的多量の燃料が噴射されても噴射燃料により濡らされることがなく、点火時期において良好にアークを発生させることができる。本実施形態では、点火プラグ４は、燃料噴射弁１より吸気弁側として、気筒上部周囲の吸気弁側に配置したが、もちろん、図１及び３に一点鎖線で示すように、燃料噴射弁１より吸気弁側であれば、燃料噴射弁１に隣接して配置されても、気筒内の排気弁側に比較的多量に噴射される燃料により濡らされることはない。

また、本実施形態においては、ピストン頂面の排気弁側にはキャビティ５ａが形成されているために、図３に示すように、圧縮行程末期の点火時期における気筒内隙間は、キャビティ５ａによって排気弁側Ｓ１が大きく、吸気弁側Ｓ２が小さくなる。点火プラグ４は気筒上部周囲の吸気弁側に配置されているために、気筒内隙間の小さな吸気弁側Ｓ２から燃焼が開始され、この火炎が気筒内隙間の大きな排気弁側Ｓ１へ伝播する。このような燃焼に際して、一部の燃料Ｆ２が気筒内の吸気弁側へ噴射されているために、気筒内の排気弁側へ噴射された比較的多量の燃料Ｆ１がタンブル流と共に主に気筒内の排気弁側を旋回しても、吸気弁側の気筒内隙間Ｓ２には確実に混合気が形成され、点火プラグ４によって吸気弁側の気筒内隙間Ｓ２から確実に燃焼を開始させることができる。

排気弁側の気筒内隙間Ｓ１には、タンブル流Ｔによる乱れが発生しており、吸気弁側の気筒内隙間Ｓ２から火炎伝播されると、排気弁側の気筒内隙間Ｓ１では、燃焼速度の速い燃焼が実現される。燃焼開始当初の燃焼速度を速くして燃焼開始当初から筒内温度が高くなると、熱放出が促進されて熱効率が低下してしまうが、本実施形態では、燃焼開始当初の燃焼速度はそれほど速くはなく、次いで、燃焼速度が速められるために、全体的な燃焼速度を速くすることができると共に、熱放出が抑制されて高い熱効率を実現することができる。

前述したように、本実施形態では、点火プラグ４によって吸気弁側の気筒内隙間Ｓ２から燃焼を開始する。この火炎が排気弁側の気筒内隙間Ｓ１へ伝播される直前に、図３に示すように、吸気弁側の気筒内隙間Ｓ２内の混合気Ｍが膨張して排気弁側の気筒内隙間Ｓ１へ噴出する。この噴出混合気Ｍ内に点火ギャップが位置するように気筒上部略中心の燃料噴射弁１近傍に配置された一点鎖線で示すようなもう一つの点火プラグがさらに設けられていれば、気筒上部周囲の点火プラグ４での点火直後にもう一つの点火プラグにより噴出混合気Ｍを点火させることで、もう一つの点火プラグにおいて発生するアークＡは、噴出混合気Ｍによって、吸気弁側の気筒内隙間Ｓ１内へ伸ばされ、この気筒内隙間Ｓ１内の混合気は伸ばされたアークＡに接触する比較的広い面積から同時に燃焼を開始する。こうして、吸気弁側の気筒内隙間Ｓ１の燃焼速度をさらに速めることができ、全体的な燃焼速度はさらに速められ、さらに良好な均質燃焼を実現することができる。

点火プラグは、一般的には接地側のＬ字形電極ｅ２と、一般的には高電圧側の中心電極ｅ１とを有し、Ｌ字形電極ｅ２と中心電極ｅ１との間が点火ギャップとなる。前述したように、気筒上部略中心の燃料噴射弁１の吸気弁側近傍に配置された点火プラグにおいて発生させたアークＡを噴出混合気Ｍにより排気弁側の気筒内隙間Ｓ１内へ良好に伸ばすためには、特に、点火ギャップの噴出混合気下流側が、Ｌ字形電極ｅ２により閉鎖されないようにすることが好ましい。例えば、図４に示すように、Ｌ字形電極ｅ２の幅方向が噴出混合気Ｍに略平行となるようにすることが好ましい（図４のＬ字形電極配置に対して気筒内から見て１８０度回転させた配置としても、Ｌ字形電極ｅ２の幅方向が噴出混合気Ｍに略平行となる）。図４のＬ字形電極配置に対して気筒内から見て時計回りに９０度回転させた配置だけは、点火ギャップの噴出混合気下流側がＬ字形電極ｅ２により閉鎖されることとなるために好ましくない。

本実施形態において、燃料噴射弁１は、シリンダボアの排気弁側へ向けての噴射燃料Ｆ１と気筒内の吸気弁側への噴射燃料Ｆ２との両方を同時に噴射するものとしたが、気筒内の吸気弁側への噴射燃料Ｆ２は、例えば、燃料噴射弁１より吸気弁側に設けられた別の燃料噴射弁により噴射するようにしても良い。この場合において、別の燃料噴射弁による噴射燃料Ｆ２の噴射時期は吸気行程末期としても良いが、吸気行程初期から圧縮行程前半までの間で任意に設定することができる。

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吸気行程末期の概略縦断面図である。図１のシリンダヘッドの底面図である。図１の筒内噴射式火花点火内燃機関の圧縮行程末期の点火時期を示している。気筒上部略中心の燃料噴射弁の吸気弁側近傍に配置された点火プラグを示す概略図である。

符号の説明

１燃料噴射弁
２吸気弁
３排気弁
４点火プラグ
５ピストン
５ａキャビティ
Ｔタンブル流
Ｆ１噴射燃料
Ｆ２噴射燃料

Claims

気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁と、気筒上部において前記燃料噴射弁より吸気弁側に配置された点火プラグとを具備し、均質燃焼に際して、前記燃料噴射弁は、シリンダボアの排気弁側に沿って下降して気筒内を旋回するタンブル流を強めるために、吸気行程末期においてシリンダボアの排気弁側へ向けて燃料を噴射し、シリンダボアの排気弁側へ向けて噴射される燃料量より少量の燃料を、前記燃料噴射弁又は別の燃料噴射弁によって気筒内の吸気弁側へ噴射することを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
ピストン頂面の排気弁側にはキャビティが形成され、前記点火プラグは、気筒上部周囲の吸気弁側に配置されてい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。