JP4985077B2 - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、筒内噴射式の火花点火内燃機関に関する。より詳細には、筒内に形成されるタンブル流を燃料噴射弁から噴射する燃料噴霧の流れで強化して性能の向上を図る内燃機関に関する。

筒内へ燃料を直接に噴射し、これに点火することで出力を得るようにしている筒内噴射型（直噴型）の火花点火内燃機関が広く知られている。そして、このタイプの内燃機関に関しては、筒内にタンブル流を形成して燃焼や排気エミッションの改善を図る技術が従来から種々提案されている。筒内に適度なタンブル流を形成させると、点火時期において混合気の乱れを適度に強化して燃焼速度が向上するので良好な燃焼を実現できる。また、これにより排気エミッションの改善を図ることもできるので内燃機関の性能を向上させることができる。

そこで、例えば特許文献１で開示する内燃機関のように、吸気通路内に吸気制御弁を配備し、これを開閉制御することにより吸気流を調整して筒内に形成するタンブル流を強化する技術などが従来において多く検討されていた。

特開２００５−１８０２４７号公報

特許文献１の内燃機関は、吸気通路内にタンブル流を強化するための吸気制御弁を配備して開閉を制御することが必要となるので構成が複雑化してしまう。これについて、筒内に燃料を直接に噴射する直噴タイプの内燃機関の場合、筒内のタンブル流を燃料噴射弁からの噴射した燃料でアシストするという手法が考えられる。このような手法を採用すればより簡易にタンブル流を強化できる。

そして、燃料噴射弁からの燃料噴射流を効率的に利用してタンブル流を強化しようとする場合、吸気バルブを開いたときに流入する吸気流によってタンブル流が形成されている点を考慮することが必要である。例えば図４で示すように、内燃機関１００の吸気通路１０１に吸気バルブ１０２が配備されている。この吸気バルブ１０２が開いたときに、吸気ＡＲが筒内１０３へ流入してタンブル流ＴＳが形成されるので、燃料噴射弁１０４の燃料噴射方向ＦＤは吸気流入方向ＡＤと一致するように設計される。すなわち、燃料噴射方向ＦＤはタンブル流ＴＳの流れに乗るように同じ方向に設定されることで、燃料噴射弁１０４から噴射された燃料噴霧の流れでタンブル流ＴＳを強化できる。

ところが、一般に燃料噴射弁１０４の燃料噴射方向ＦＤは一定であるが、内燃機関の運転状態によりシリンダ１０５内のピストン１０６の移動サイクルは変化する。内燃機関が低速回転のときにはピストン１０６の速度は遅く、高速回転のときにはピストン１０６の速度は速くなる。低速回転のときには吸気行程の後半で燃料噴射しても燃料蒸発時間を確保できる。よって、ピストン１０６の下死点近傍で燃料噴射することでタンブル流を強化できる。

しかしながら、内燃機関が高速回転のときは、好ましい条件が低速回転のときとは異なる。高速回転の場合は燃料蒸発時間の確保が困難となるので、早期に燃料噴射することが必要となる。その結果、図４において点線で示すように、吸気行程でピストン１０６が下がる途中で燃料噴射が実行される場合がある。この場合、燃料噴射弁１０４から噴射された燃料ＦＥはピストン１０６の頂面に衝突する。このように衝突した燃料噴霧の流れは本来のタンブル流ＴＳとは逆向きの流れ（以下、逆タンブル流ＣＴＳと称す）を形成してしまう場合がある。このような逆タンブル流ＣＴＳが形成されてしまうと、筒内の気流状態が変化してしまうので内燃機関の性能が低下してしまう。

そこで、本発明の目的は、内燃機関の運転状態が変化しても、燃料噴射弁から噴射された燃料でタンブル流を強化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。

上記目的は、筒内に形成されるタンブル流を燃料噴射弁から噴射する燃料で強化する、筒内噴射式の火花点火内燃機関であって、前記燃料噴射弁の燃料噴射方向が前記タンブル流と同じ方向に設定され、前記燃料が衝突するピストンの頂面に、燃料噴霧の流れを前記タンブル流の方向へ誘導する誘導構造が設けてあり、前記誘導構造は、前記ピストンの頂面の排気側に衝突する前記燃料噴霧の流れを吸気側に反転して誘導するよう湾曲した複数の凹部を有し、前記複数の凹部は、上下動する前記ピストンの異なる高さ位置で前記燃料噴霧の流れを吸気側に反転して誘導するよう段差構造に形成され、前記燃料噴射弁の燃料噴射を制御する制御手段を更に備え、前記制御手段は、前記段差構造の段差位置に応じて燃料を分割噴射する、ことを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関によって達成できる。

本発明によると、内燃機関のピストンの頂面には燃料噴霧の流れをタンブル流の方向へ誘導する誘導構造が設けてあるので、仮に燃料噴射弁から噴射した燃料がピストンに衝突するようなことがあってもタンブル流を強化できる。

本発明によれば、内燃機関の運転状態が変化しても、燃料噴射弁から噴射された燃料でタンブル流を強化できる筒内噴射式火花点火内燃機関を提供できる。

以下、本発明に係る好ましい実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。

図１は、実施例に係る筒内噴射式の火花点火内燃機関（以下、単にエンジンと称する）の構成を示している図である。エンジン１は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御装置）１０により全体的に制御されている。このＥＣＵ１０は燃料噴射弁の燃料噴射を制御する制御手段としても機能する。このＥＣＵ１０については後に詳述する。

エンジン１は、一般的な内燃機関と同様にシリンダ２内にピストン３が上下動するように配備されている。ピストン３の頂面（上面）３ＴＰとシリンダ２の内壁によって囲まれた空間が筒内（燃焼室）４となる。この筒内４へ吸気ＡＲを流入させる吸気通路５及び筒内４で発生した排気ガスＥＧを排出する排気通路６が配備されている。なお、ピストンの頂面３ＴＰには、段状に形成した誘導構造が形成してある。これについては後述する

吸気通路５には筒内４へ流入する吸気ＡＲを調整する吸気バルブ７が配備されている。吸気バルブ７の上部には、この吸気バルブ７のリフト量を設定するカムシャフト８が配備されている。そして、カムシャフト８の回転を検出するカム角センサ９が設けられている。カム角センサ９の出力は、ＥＣＵ１０へ供給されている。同様に、排気通路６には筒内４で発生した排気ガスＥＧの排出タイミングを調整する排気バルブ１２が配備されている。この排気バルブ１２についても、吸気バルブ７と同様の構造が設けてある。すなわち、排気バルブ１２のリフト量を設定するカムシャフト１３が配備されている。そして、カムシャフト１３の回転を検出するカム角センサ１４が設けられている。カム角センサ１４の出力もＥＣＵ１０へ供給されている。

更に、ピストン３の上下動に伴って回転するクランクシャフト１５の位置を検出するクランクセンサ１６が配備されている。このクランクセンサ１６の出力も、ＥＣＵ１０へ供給されている。よって、ＥＣＵ１０は、クランクセンサ１６の出力に基づいて、エンジン１が低速回転の運転領域にあるか、或いは高速回転の運転領域にあるかを確認できると共に、ピストン３の移動位置（図１で上下方向での高さ位置）も確認できる。

燃料噴射弁（インジェクタ）２１が先端部の噴孔を筒内４に臨むようにして配備してある。燃料噴射弁２１は、シリンダヘッドの中央部の点火プラグ２５に近接して筒内４に対して立ち姿勢で設置されている。この燃料噴射弁２１の燃料噴射方向ＦＤは吸気流入方向ＡＤと一致するように設定され、吸気ＡＲにより形成されたタンブル流を燃料噴射で強化できるようにしてある。なお、燃料噴射方向ＦＤとは、燃料噴射弁２１から噴射された燃料ＦＥの噴霧中心の軸線方向である。

上記で説明した各部はＥＣＵ１０によって制御されている。ＥＣＵ１０は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算処理装置）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入出力回路などを有して構成されている。ＲＯＭはＣＰＵが実行する種々の処理が記述されたプログラムやこのプログラムで使用する一連のデータなどを格納している。本実施例ではエンジン１の制御用プログラムのほか、クランクセンサ１６の出力を確認して、これに基づいて燃料噴射弁２１の燃料噴射のタイミングを規定するプログラムなどが格納してある。

筒内４に形成されるタンブル流ＴＳは、吸気ＡＲの流入に基づいて形成される。よって、タンブル流を燃料噴射弁２１から噴射する燃料で強化しようとする場合、上記で説明したように燃料噴射方向ＦＤを吸気流入方向ＡＤと一致するように排気側に向けておくのが好ましい。この構成は、エンジン１が低速回転のときに下死点近傍で燃料噴射するとタンブル流をより確実に強化できるという点で好ましいものである。

ところが、先に課題として指摘したように、エンジン１が高速回転で運転されたときには、燃料噴射が早期に実行されるのでピストン頂面に衝突して逆タンブル流が形成されてしまう場合がある。そこで、本実施例のエンジン１は、この問題に対処できる誘導構造をピストン３の頂面３ＴＰに設けてある。図１を参照して誘導構造について説明する。

図１はピストン３の頂面３ＴＰの側部形状を示している。燃料噴射弁２１の燃料噴射方向ＦＤはタンブル流を強化するため右下向き（排気側）に設定してある。よって、エンジン１が高速回転で運転されたときに燃料噴射弁２１からの燃料は右側領域に衝突する。そこで、頂面３ＴＰの円ＣＲで囲む右側領域に誘導構造を設けてある。

誘導構造は、大略形状において、排気側に衝突する燃料の流れ（以下、燃料噴霧流）を吸気側に反転して誘導する右側にへこませた凹部形状として形成されている。しかし、ピストン３は上下動するので、燃料噴霧流が当たる頂面３ＴＰでの領域が変化して、タンブル流の強化が不安定となる。そこで、誘導構造はピストンの上下動に応じ、異なる位置で前記燃料の流を受けこれを確実に反転、誘導できるように段差構造に形成してある。図１では、段差を１つ設けた場合を例示的に示し、下側に第１凹部２７、上側に第２凹部２９を形成している。各凹部２７、２９は湾曲した面とすることにより衝突した燃料噴霧流をスムーズに誘導できるように設計してある。

よって、ピストン３が上方位置にあるときには下側の第１凹部２７に噴射された燃料ＦＥが当たり、ピストン３が下側位置に変化したときには上側の第２凹部２９に噴射された燃料ＦＥが当たるようになる。よって、ピストン３の高さ位置に応じて燃料噴霧流を誘導できるので、エンジン１の回転が高速回転となり燃料噴射弁２１から噴射した燃料がピストンの頂面にあたるようなことがあっても、筒内に形成されたタンブル流を強化することができる。さらに、図を参照して、ＥＣＵ１０によって実行されるより好ましい燃料噴射制御例について説明する。

図２は、エンジン１が高速回転しているときに、ＥＣＵ１０が実行する燃料噴射制御の一例を模式的に示した図であり、ピストン３が位置にあるとき（Ａ）から、中間位置（Ｂ）を介して、そして下死点に近い位置となったとき（Ｃ）までを連続的に示している。

図２（Ａ）は、エンジン１が高速回転域にあることを確認して、ＥＣＵ１０が早期の燃料噴射を実行した場合を示している。早期の燃料噴射によって、燃料噴射弁２１から噴射された燃料ＦＥがピストン３の頂面に衝突することになる。しかし、このエンジン１の頂面には燃料噴霧流でタンブル流を強化するための段差構造が形成してあるので、従来のような逆タンブル発生の発生を抑制できる。すなわち、（Ａ）で示す位置にピストン３があるときには、下側の第１凹部２７によって燃料噴霧流が反転されて吸気側へと誘導されるのでタンブル流を強化できる。

そして、（Ｂ）で示す中間位置にピストン３が移動したときも同様に、上側の第２凹部２９によって燃料噴霧流が反転され吸気側へと誘導されえるのでタンブル流を強化できる。さらに、（Ｃ）で下死点近傍位置にピストン３が移動したときには燃料噴射弁から燃料を噴射するとエンジンが低速回転しているときと同様に、燃料噴射弁２１から噴射した燃料をピストン３に衝突させることなくタンブル流を強化することができる。

本実施例のピストン３は上記のように頂面にタンブル流強化のための第１凹部２７及び第２凹部２９を含む誘導構造を設けることで、エンジンが高速回転しているときもタンブル流を強化できるようにしてある。ただし、ピストン３は常に上下動しているので、上記第１凹部２７及び第２凹部２９についても、燃料噴霧流が当たるのが好ましい高さ位置（タイミング）がある。この点を考慮して燃料噴射を実行すれば、より確実にタンブル流を強化できる。クランクセンサ１６の出力は、ＥＣＵ１０へ供給されている。ＥＣＵ１０はピストン３の高さ位置（移動位置）を確認できるので、ピストンの位置に応じて燃料噴射することで確実にタンブル流を強化できる。

好ましい燃料噴射の一例として、ＥＣＵ１０はピストン３の位置を確認して分割噴射を実行する。分割噴射するタイミングは、図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）で示すように、第１凹部２７及び第２凹部２９の上側に掛かる位置、あるいは下死点近傍位置で、燃料噴射弁２１から噴射された燃料噴霧流が形成されるようにするのが望ましい。このようなタイミングでＥＣＵ１０が燃料噴射弁から燃料を噴射すればタンブル流を確実に強化できる。

上記実施例では、ピストン３の頂面に一段の段差を設けて第１凹部２７と第２凹部２９とを形成する場合を例示的に示したが、２段以上の段差を設けて第３凹部を形成した頂面構造としてもよい。また、上述した実施例では、ピストンが下死点近傍まで移動したときにも分割噴射してタンブル流を強化する場合を例示している。この場合には、ＥＣＵが分割噴射する回数は凹部の数プラス（＋）１の分割噴射を実行してタンブル流を強化できる。

以上で説明したように、本実施例のエンジン１はピストン３の頂面に燃料噴霧の流れを前記タンブル流の方向へ誘導する誘導構造が設けてあるので、エンジンが高速回転されて燃料がピストンに衝突することがあってもタンブル流を強化できる。
（応用例）

前述した実施例のエンジン１の構成をそのままとし、排気通路の下流に配置した触媒装置の暖機を行う応用例について説明する。この応用例は、上記実施例で発生を抑制していた逆タンブル流を意図的に発生させて触媒暖機を図るものである。図３は、エンジン１の点火時期を大幅に遅角して意図的に逆タンブル流を形成する様子を示した図である。点火時期を遅角させ燃料噴射弁２１から燃料噴射するタイミングを調整すると点火プラグ２５の近傍に高濃度の混合気を形成できる。ここでは、前述した実施例の場合とは逆に、ＥＣＵ１０が燃料噴射を行うタイミングを調整することで凹部を利用して逆タンブル流を形成させることができる。なお、図３は第１の凹部２７を利用する場合を例示している。エンジンの始動時などに、この操作を実行して混合気に点火することで高温の排気ガスＥＧを流して下流の触媒装置３０の暖機を図ることができる。このように実施例のエンジン１は、タンブル流の強化だけでなく、必要に応じて触媒装置３０の暖機も行えるよりエンジンとして提供できる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

実施例に係る筒内噴射式のエンジンの構成を示している図である。 エンジンが高速回転しているときに、ＥＣＵが実行する燃料噴射制御の一例を模式的に示した図であり、（Ａ）はピストンが高い位置あるとき、（Ｂ）は中間位置にあるとき、（Ｃ）は下死点に近い位置にあるときをそれぞれ示している図である。 応用例について示している図であり、エンジンの点火時期を大幅に遅角して意図的に逆タンブル流を形成する様子を示した図である。 従来の課題を説明するために例示的に示した図である。

符号の説明

１ エンジン（筒内噴射式の火花点火内燃機関）
３ ピストン
３ＴＰ ピストンの頂面
４ 筒内
５ 吸気通路
１０ ＥＣＵ（制御手段）
２１ 燃料噴射弁
２７、２９ 凹部（誘導構造）
ＦＥ 燃料
ＦＤ 燃料噴射方向
ＡＲ 吸気
ＡＤ 吸気流入方向
ＴＳ タンブル流

Claims (1)

1. 筒内に形成されるタンブル流を燃料噴射弁から噴射する燃料で強化する、筒内噴射式の火花点火内燃機関であって、
   前記燃料噴射弁の燃料噴射方向が前記タンブル流と同じ方向に設定され、
   前記燃料が衝突するピストンの頂面に、燃料噴霧の流れを前記タンブル流の方向へ誘導する誘導構造が設けてあり、
   前記誘導構造は、前記ピストンの頂面の排気側に衝突する前記燃料噴霧の流れを吸気側に反転して誘導するよう湾曲した複数の凹部を有し、
   前記複数の凹部は、上下動する前記ピストンの異なる高さ位置で前記燃料噴霧の流れを吸気側に反転して誘導するよう段差構造に形成され、
   前記燃料噴射弁の燃料噴射を制御する制御手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記段差構造の段差位置に応じて燃料を分割噴射する、ことを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。

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