JP4586765B2 - 筒内直接噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、筒内直接噴射式火花点火内燃機関に関する。

従来より、燃焼室内で燃料噴射弁により燃料を直接噴射する筒内直接噴射式火花点火内燃機関が公知である。燃焼室上壁中央部に燃料噴射弁を備え、燃料噴射弁からの燃料噴霧の内部または燃料噴霧稜線近傍に位置するよう点火プラグの電極部をレイアウトし、燃料噴射中または直後に燃料噴霧に直接点火を行う所謂スプレーガイド方式と呼ばれる技術が知られている。（特許文献１） このスプレーガイド方式によれば、負荷の小さい運転領域において他方式の筒内噴射型火花点火式内燃機関よりもリーンで失火の無い安定した燃焼ができるので、燃費の向上、排出ガスＨＣ成分の低減、スモークの抑制、等の効果を得ることができる。

しかし、負荷が大きくなるにつれて、燃料噴射量も大きくなり、混合気分布の中でリッチな偏りが生じ、スモーク等が発生したり、最悪の場合、失火して未燃排出ガス増加や燃費悪化を招くという問題があった。
この問題を解決するため、特許文献２に示す公知資料では、圧縮行程中に２回に分けて噴射している。ところで、２回噴射のやり方としては特許文献２の方法の他、１回目を火種とし、２回目を主噴射とする方法も考えられる。
特開２００２−５３９３６５ 特開２００３−４９６７９

上記１回目の噴射による燃焼の火炎によって２回目の追加燃料噴射による燃料を前記主燃焼の火炎伝幡により着火させて燃焼させる方法の場合、負荷の比較的小さい運転領域では、前半の噴射量を少なくする必要があり、その為、経時変化や部品製造時期違いによるバラツキと周囲の環境変化による外乱により、燃焼が不安定になり、最悪の場合、失火が発生するので、燃費向上と排出ガス低減に効果のある混合気希薄化による燃焼の安定化と、すすやＮＯｘ成分低減の為の排気ガス再循環（ＥＧＲ）量増加が両立できないという課題があった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、スプレーガイド燃焼方式において、燃料噴射弁からの噴射中または噴射直後に燃料噴霧に直接点火を行い火炎を生じせしめた後、少なくとも新たに１回以上の噴霧を拡散燃焼させ、燃焼行程中の全ての噴射が終了後に、少なくとも新たに1回以上点火させる事で、燃費向上と排出ガス低減に効果のある混合気希薄化による燃焼の安定化と、すすやＮＯｘ成分低減の為の排気ガス再循環（ＥＧＲ）量増加を両立させる装置を提供することを目的とする。

上記従来技術の問題を解決する為に、請求項１の発明においては、燃焼室に直接に燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグとを備える筒内直接噴射式火花点火内燃機関であって、
前記燃料噴射弁から噴射された燃料の噴霧中または噴霧稜線近傍に点火電極部が位置する様に点火プラグを設け、前記燃料を噴射後に点火させて火炎を生じせしめ、生じた火炎により前記点火時以降に少なくとも新たに１回以上の噴霧を拡散燃焼させ、燃焼行程中の全ての噴射が終了後に、少なくとも新たに1回以上点火させる事を特徴とする。

請求項２の発明においては、全ての噴射が圧縮行程で行われ、全噴射終了後の点火時期は圧縮上死点以降であることを特徴とする。

請求項３の発明においては、内燃機関の負荷領域が所定の範囲にあるときに前記制御を行うことを特徴とする。

請求項４の発明においては、各気筒に吸気弁および排気弁が備えられており、前記点火プラグの他に燃焼室壁面側で、かつ、前記吸気弁と排気弁との間に少なくとも１つ以上の点火プラグを設け、該点火プラグは1回の燃焼行程中の全ての噴射終了後に前記点火プラグと同時に点火することを特徴とする。

請求項５の発明においては、各気筒に吸気弁および排気弁が備えられており、前記点火プラグの他に燃焼室壁面側で、かつ、前記吸気弁と排気弁との間に少なくとも１つ以上の点火プラグを設け、該点火プラグは1回の燃焼行程中の全ての噴射終了後に前記点火プラグが点火した後所定時間経過してから点火することを特徴とする。

本発明によれば、混合気が比較的均質化する圧縮上死点付近にて再度点火する事で確実な着火を行えるので、燃焼が安定し、火炎の消炎による失火を防止する事ができる。その結果、燃焼により発生するトルクの低下を防止でき、燃焼室外周クエンチゾーンの未燃ＨＣ成分の低減ができる。

以下、添付図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
〔実施例１〕
図１は本発明の筒内噴射型火花点火式内燃機関の制御装置の第一の実施形態の概略構成図であり、図２は図１の燃焼室を上方から見た平面図を示している。また図３は噴射タイミングと点火タイミングを簡略化して表現したタイムチャートを示している。以下、図1乃至図３に基づき説明する。

図１においてシリンダヘッド１は図で傾斜した屋根を有するペントルーフ状の燃焼室２を構成すると共に、この左右の屋根の部分に吸気を導入する吸気ポート３が、また燃焼後のガスを排出するための排気ポート４がそれぞれ開口している。シリンダブロック５にはシリンダ６が図で上下方向に穿設され、このシリンダ６内をピストン７が上下方向に摺動する。吸気弁８、排気弁９はこのピストン７の動きに合わせて各ポート３、４を開閉する。

本実施形態では、燃焼室２の上壁部に配設された燃料噴射弁１０からの燃料噴霧稜線Ｆの内部または近傍に位置するよう点火プラグ１１の電極部１１ａをレイアウトし、燃料噴射中または直後に前記燃料噴霧に直接点火を行う所謂スプレーガイド方式と言われる燃焼方式を前提としている。本実施形態では特に、燃料噴射弁１０及び点火プラグ１１の配置とピストン冠面に形成されるキャビティ７ａの形状とが工夫されている。すなわち、燃焼室２の天井の略中央位置に噴孔を排気弁方向下方に向けた燃料噴射弁１０が、またそのすぐ近傍の排気側に点火プラグ１１が設けられている。ピストン冠面には、燃料噴射弁１０からの燃料噴霧を保持し得るキャビティ７ａが形成されている。詳細には燃料噴射弁１０から噴射される燃料噴霧が前記ピストンキャビティ７ａの内部に収まる様にキャビティ形状と燃料噴射弁の配設位置、そして噴霧方向が決定されている。

スプレーガイド方式では、燃焼室２内にて燃料噴射弁１０から燃料噴射されたほぼ全量の噴霧が点火プラグ１１に到達した時点で点火し燃焼させるのが一般的であるが、エンジンの負荷が高くなると１サイクルあたりの吸入空気量も多くなり、該吸入空気量に見合うだけの必要な噴射量が多くなると、燃焼室内における混合気分布の中でリッチな偏りが発生する場合がある。この場合、そのリッチ分が未燃ＨＣガスとなって排出され、排出ガス増加や燃費悪化に繋がる。そこで、その解決方法として噴射を２回に分けて、最後の噴霧が点火プラグに到達した時点で点火して、点火プラグ近傍のリッチを防止する方法が取られている。この方法は特にエンジンが高負荷のときに有効である。また総噴射回数は２回に限らず、燃料噴射弁性能と要求噴射量に応じて噴射回数を増やしても可能である。

ところで、エンジン負荷が前記高負荷よりも比較的低い所定範囲にある状態（中負荷状態）においては、着火できる程度だがトルクとはならない程度に少ない噴射量（最小噴射量）で１回目に噴射し、該噴射により形成された噴霧が点火プラグ近傍を通過時に点火させ、その後すぐに２回目の噴射を行い、１回目の噴射と点火により発生した燃焼混合気を種火として２回目の燃料に着火させながら前記２回目の噴射を燃焼させてトルクを発生させる方法が知られている。この方法を用いると、燃焼が安定するので従来よりも排気ガス再循環（ＥＧＲ）の量を多くでき、その結果ＮＯｘ排出量低減を行えることが、発明者の検討においても明らかとなっている。

以下、このように構成された、本第１実施例に係る筒内噴射火花点火式内燃機関の作用について説明する。
当該筒内噴射エンジンでは、吸気下死点から圧縮上死点の間にかけて、つまりピストン７が燃料噴射弁１０に近づいている期間（圧縮行程）に点火プラグ１１により着火して燃焼可能なだけの微量の燃料がピストンキャビティ７ａに入るタイミングで燃料噴射弁１０より燃料を噴射する。

次に前記噴射された燃料噴霧が点火プラグ１１近傍に到達したとき、前記点火プラグ１１が点火し、前記噴霧により形成された混合気が火炎となり燃焼する。さらに、その火炎が燃焼室内、特にピストン７のキャビティ７ａ内に残留している時に、燃料噴射弁１０から２回目の噴霧を行い、該噴霧により形成された混合気を前記残留火炎により着火し燃焼させる。

ところで、燃料噴射弁１０から１回目に噴射される燃料が経年変化や製造ばらつき、噴射毎のばらつき、気温や大気圧の環境変化により設計者が意図した量と異なると、失火したり、余計なエンジン出力トルクとなる虞がある。つまり、燃料量が多すぎると燃焼に寄与しない燃料が未燃のＨＣガス成分となり排出されたり、爆発力が大きくなり、エンジン出力トルクが大きくなる事で、車両運転者の意図した以上の駆動力を生み出してしまったり、車両の前後振動を増加させて運転者に不快感を与える虞がある。逆に燃料量が少なすぎると、点火プラグ１１周辺に着火できるだけの混合気が形成されず、着火させようとしても燃焼せずに未燃のＨＣガス成分となり排出されてしまったり、エンジンの燃焼室や触媒の温度を上昇させて最悪の場合溶損させてしまう場合がある。

本実施例においては、そのようなばらつきが存在していた場合においても、２回目の点火を圧縮上死点以降のタイミングで行う事で、サイクル中の最後の噴射による混合気が均質化するまでの時間が確保できるので、混合気が不均質なまま点火してしまう事がなくなり、失火を防止して燃焼を安定させることができる。

〔実施例２〕
次に第２の実施例について説明する。
図４を参照すると、本発明の第２実施例に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃焼室を上方から見た平面図が示されており、図５を参照すると、本発明の第２実施例に係るタイムチャートが示されている。以下図４、図５に基づき説明する。なお、上記実施例１と同一の部品及び部位については同一の符号を使用し、また、同一の機能については説明を省略する。

燃料を筒内に直接噴射するエンジンでは、燃焼室に噴射された燃料が噴霧となって広がるが、一部は、燃焼室外へとはみ出してしまい、クエンチングゾーンと呼ばれる領域（ピストンが上死点に達したとき、ピストン上面とシリンダヘッドの間にある扁平な隙間）に侵入してしまう。このはみ出した噴霧は、シリンダ壁面に熱を奪われたり、一時的な酸素不足で燃焼する条件を満たせずに消炎してしまう。このため、前記クエンチングゾーンに侵入した燃料は燃えることなく排出され、ＨＣやＰＭ（粒子状物質）等の排出ガスの原因となる。

当該第２実施例では、燃料噴射弁の位置と点火プラグ１１の位置は上記実施例１と同様に頂面中央部に位置しているが、第２の点火プラグ１２が吸気弁８と排気弁９と燃焼室上壁周辺部１３との間に新たに配設されている。また、図５に示すように、第１の点火プラグが２回目に点火すると同時に前記第２の点火プラグ１２も点火させている。
これにより、上記第１実施例と同様の効果を奏し、それに加え、上記クエンチングゾーンの未燃ＨＣ排出量を低減することができる。

〔実施例３〕
次に第３の実施例について説明する。
本発明の第３実施例に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃焼室を上方から見た平面図は上記第２実施例と同様に図４に記載の通りである。図６を参照すると、本発明の第３実施例に係るタイムチャートが示されている。以下図４、図６に基づき説明する。なお、上記実施例１または上記実施例２と同一の部品及び部位については同一の符号を使用し、また、同一の機能については説明を省略する。

当該第３実施例では、図６に示すように、第１の点火プラグ１１が２回目に点火するよりも所定時間だけ先に前記第２の点火プラグ１２を点火させている。
これにより、上記第１実施例および第２実施例と同様の効果を奏し、それに加え、第２の点火プラグ１２による点火は、第１の点火プラグ１１の点火により発生するトルクと比較してはるかに小さいので、燃焼室温度と燃焼室圧力が比較的高い上死点付近において設定でき、結果として、失火の無い安定した燃焼とクエンチングゾーンＨＣ低減の効果が更に確実に行える。

ところで、上述した実施の形態１乃至３では、ピストン７がピストン冠面にキャビティ７ａが形成されているものに限定されているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、ピストン７の形状としては、例えば、ピストンにキャビティが無いフラットピストンと呼ばれるものであってもよい。

また、上述した実施の形態１乃至３では、燃焼室２の上壁中央部に配設された燃料噴射弁１０から燃料を噴霧する方向が排気側下方に噴霧される噴霧方式に限定されているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、噴霧方式としては、例えば、燃焼室２の上壁中央部からピストン中心部に同心円状に燃料を噴霧するセンターインジェクションや、インジェクタが燃焼室２の天上中央部ではなく該中央部から若干オフセットして配設されている噴霧方式であってもよい。

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。 第１の実施形態における内燃機関燃焼室を上方から見た概略断面図である。 第１の実施形態における１サイクルあたりの噴射時期と点火時期の関係を示すタイムチャートである。 第２、第３の実施形態における内燃機関燃焼室を上方から見た概略断面図である。 第２の実施形態における１サイクルあたりの噴射時期と点火時期の関係を示すタイムチャートである。 第３の実施形態における１サイクルあたりの噴射時期と点火時期の関係を示すタイムチャートである。

符号の説明

２ 燃焼室
７ ピストン
７ａ キャビティ
８ 吸気弁
９ 排気弁
１０ 燃料噴射弁
１１ 点火プラグ
１１ａ 電極部
１２ 第２の点火プラグ
１３ 燃焼室上壁周辺部
Ｆ 噴霧稜線

Claims (4)

1. 燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグとを備える筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の噴霧の内部または噴霧稜線近傍に点火電極部が位置する様に点火プラグを設け、内燃機関が所定の運転領域にあるときには、前記燃料を噴射後に点火させて火炎を生じせしめ、生じた火炎を火種として前記点火時以降に噴射された少なくとも１回以上の噴霧を燃焼させ、燃焼行程中の全ての噴射が終了後に、少なくとも新たに1回以上点火させることを特徴とする筒内直接噴射式火花
   点火内燃機関。
2. 全ての噴射が圧縮行程で行われ、全噴射終了後の点火時期は圧縮上死点以降であることを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関。
3. 内燃機関の所定の運転領域が中負荷領域であることを特徴とする請求項１または２に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関。
4. 各気筒に吸気弁および排気弁が備えられており、前記点火プラグの他に燃焼室壁面側で、かつ、前記吸気弁と排気弁との間に少なくとも１つ以上の追加の点火プラグを設け、該追加の点火プラグは1回の燃焼行程中の全ての噴射終了後に前記点火プラグと同時に点火
   することを特徴とする請求項１乃至３に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関。

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