JP5338429B2

JP5338429B2 - 筒内噴射式火花点火内燃機関

Info

Publication number: JP5338429B2
Application number: JP2009083513A
Authority: JP
Inventors: 真一郎能川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2029-03-30
Also published as: JP2010236389A

Description

本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。

気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、燃料噴射弁により圧縮行程で噴射された燃料により点火プラグ近傍に成層混合気を形成し、この成層混合気を点火プラグにより着火燃焼させる成層燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関が公知である。

このような筒内噴射式火花点火内燃機関において、ピストン頂面にキャビティを形成し、燃料噴射弁によりキャビティ内へ噴射された燃料をキャビティにより点火プラグ近傍に導くことによって点火プラグ近傍に成層混合気を形成することが提案されている。しかしながら、このようにピストン頂面にキャビティが形成されていると、ピストン頂面の表面積が増大して冷却損失を増大させてしまう。また、ピストンキャビティにより筒内の気流に剥離が発生して気流の強度を低下させるために、燃焼速度が低下することがある。それにより、均質リーンバーンや均質ＥＧＲ燃焼において、燃焼限界の空燃比が小さくなり、燃料消費が悪化することがある。

それにより、ピストン頂面に冷却損失を増大させるようなキャビティを形成することなく、気筒上部周囲に配置された燃料噴射弁から噴射された燃料をタンブル流によってシリンダヘッドに沿わせて気筒上部略中心に配置された点火プラグ近傍に導いて成層混合気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２００２−２２７６５１特開２００８−０２５３９９

前述の筒内噴射式火花点火内燃機関において、噴射燃料は、気筒上部周囲から気筒上部略中心までの距離を、すなわち、シリンダボアの略半径に相当する距離をシリンダヘッドに沿ってタンブル流と共に進行しただけで、点火プラグ近傍に到達してしまう。噴射燃料は、このような短時間で気化させることは難しく、この筒内噴射式火花点火内燃機関では、点火プラグ近傍に良好な可燃成層混合気を形成することができないことがあり、また、液状燃料が点火プラグに付着してくすぶりを発生させることがある。

従って、本発明の目的は、ピストン頂面のキャビティを必要とすることはなく、燃料噴射弁により噴射された燃料により良好な成層混合気の形成を可能とす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、気筒上部周囲の吸気ポート側に配置された燃料噴射弁と、気筒上部略中心に配置された点火プラグとを具備し、吸気行程において気筒内へ吸入された吸気によりシリンダボアの排気ポート側に沿って下降して吸気ポート側に沿って上昇するタンブル流が気筒内に形成される筒内噴射式火花点火内燃機関において、成層燃焼を実施するために、前記燃料噴射弁は、圧縮行程後半においてピストン頂面とシリンダボアの排気ポート側との境界近傍へ向けて燃料を噴射す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、成層燃焼を実施するために、気筒上部周囲の吸気ポート側に配置された燃料噴射弁は、圧縮行程後半においてピストン頂面とシリンダボアの排気ポート側との境界近傍へ向けて燃料を噴射し、こうして噴射された燃料は、貫徹力によりピストン頂面とシリンダボアの排気ポート側との境界近傍に到達し、次いで、タンブル流によってピストン頂面に沿ってシリンダボアの吸気ポート側へ移動させられ、さらに、タンブル流によってシリンダヘッドに沿って点火プラグ近傍へ移動させられる。こうして、噴射直後の液状燃料は、タンブル流と共に比較的長い距離を移動する間に十分に気化し、点火時期において点火プラグ近傍に到達した時には良好な可燃成層混合気となり、点火プラグにくすぶりを発生させることなく、良好に着火燃焼させられる。

本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の圧縮行程後半の燃料噴射時期を示す概略縦断面図である。図１の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射直後を示す概略縦断面図である。図１の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射時期と点火時期との間のクランク角度を示す概略縦断面図である。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す概略縦断面図である。各噴射角度と各シリンダボア径との組み合わせに対するストローク長と最適噴射時期との関係を示すグラフである。各噴射角度と各シリンダボア径との組み合わせに対するストローク長と最適タンブル比との関係を示すグラフである。

図１から４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る。これらの図において、１は気筒上部略中心に配置された点火プラグであり、２は気筒上部周囲の吸気ポート側（例えば二つの吸気ポートの間）に配置された燃料噴射弁である。３は一対の吸気弁（図示せず）を介して気筒内へ通じる吸気ポートであり、４は一対の排気弁（図示せず）を介して気筒内へ通じる排気ポートである。５はピストンである。

本筒内噴射式火花点火内燃機関は、燃料噴射弁２によって圧縮行程後半で噴射された燃料により圧縮行程末期の点火時期において点火プラグ１近傍に成層混合気を形成し、気筒内全体としては理論空燃比よりリーンな空燃比の成層燃焼を実施する。また、このような成層燃焼だけでなく、例えば、機関高負荷時には、燃料噴射弁２によって吸気行程で噴射された燃料により圧縮行程末期の点火時期において気筒内に均質混合気を形成し、気筒内全体として理論空燃比（又はリッチ空燃比）の均質燃焼を実施するようにしても良い。

本筒内噴射式火花点火内燃機関において、ピストン５の頂面には、成層混合気を形成するのに使用されるような比較的深いキャビティは形成されておらず、それにより、ピストン５の燃焼室側表面積の増加に伴って冷却損失が増大することはない。また、均質リーンバーンや均質ＥＧＲ燃焼において、タンブル流がキャビティにより弱められることによる燃焼限界空燃比の悪化を抑制することができる。

本筒内噴射式火花点火内燃機関は、吸気行程において吸気ポート３を介して気筒内へ吸入される吸気によりシリンダボアの排気ポート４側に沿って下降して吸気ポート３側に沿って上昇するタンブル流が形成されるようになっている。このようなタンブル流を圧縮行程末期まで持続させてピストン５により押し潰すことにより、点火時期において気筒内には乱れを発生させて、均質燃焼及び成層燃焼のいずれにおいても燃焼速度を速めることができる。

本実施形態において、ピストン５の頂面には成層混合気を形成するのに使用されるような比較的深いキャビティが形成されていないために、タンブル流の減衰を抑制することができ、タンブル流を圧縮行程末期まで持続させ易くなっている。ピストン５の頂面には、タンブル流の減衰をさらに抑制するような大きな半径の円弧断面を有する比較的浅いキャビティを形成するようにしても良い。

本筒内噴射式火花点火内燃機関は、成層燃焼時において、図１に示すように圧縮行程後半において燃料噴射弁２からピストン５頂面とシリンダボアの排気ポート４側との境界Ｐ近傍へ向けて燃料を噴射するようになっている。言い換えれば、気筒上部周囲の二つの吸気ポート３の間に配置された燃料噴射弁２の燃料噴射方向Ｄ（噴射燃料の中心方向）が、圧縮行程後半の燃料噴射時期のクランク角度においてピストン５頂面とシリンダボアの排気ポート４側との境界Ｐ近傍を指向するようになっている。特に、燃料噴射方向Ｄは、シリンダボアの中心軸線と同一縦平面上とされ、ピストン５頂面とシリンダボアの排気ポート４側との境界Ｐの燃料噴射弁２の対向位置近傍に燃料を噴射することが好ましい。

燃料噴射弁２から噴射される燃料噴霧Ｆ１の形状は、任意に選択可能であり、例えば、丸噴孔から噴射される円柱形状又は円錐形状や、スリット噴孔から噴射される厚さの薄い扇形状とすることができる。

こうして燃料噴射弁２から噴射された燃料は、燃料噴射直後の断面である図２にＦ２で示すように、自身貫徹力によって、燃料噴射時期において気筒内で最も長い距離を飛行してピストン５頂面とシリンダボアの排気ポート４側との境界Ｐ近傍に到達する。次いで、燃料噴射時期と点火時期との間のクランク角度の断面である図３にＦ３で示すように、タンブル流Ｔによってピストン５頂面に沿ってシリンダボアの吸気ポート３側へ移動させられる。さらに、圧縮行程末期の点火時期の断面である図４にＦ４で示すように、タンブル流Ｔによってシリンダヘッドに沿って点火プラグ１近傍へ移動させられる。

こうして、噴射直後の液状燃料は、気筒内を比較的長く飛行して、さらに、タンブル流Ｔと共に比較的長い距離を移動する間に十分に気化し、点火時期において点火プラグ１近傍に到達した時には良好な可燃成層混合気となっており、点火プラグ１にくすぶりを発生させることなく、良好に着火燃焼させられる。

図５は、各噴射角度Ｖ（°）（２０°、３０°、及び４５°）と各シリンダボア直径Ｂ（ｍｍ）（丸印９０ｍｍ、四角印８０ｍｍ、三角印７０ｍｍ）との組み合わせに対するストローク長Ｓ（ｍｍ）と最適噴射時期Ａ（°）（上死点前クランク角度）との関係を示すグラフである。ここで、噴射角度Ｖは、図１に示したように、燃料噴射弁２の燃料噴射方向Ｄとシリンダボア中心軸線に対して垂直な方向との間の角度である。

図５に示されているように、噴射角度Ｖとシリンダボア直径Ｂと内燃機関のピストンのストローク長Ｓとが定まれば、燃料噴射弁２からピストン５頂面とシリンダボアの排気ポート２側との境界Ｐへ向けて燃料を噴射するための最適な燃料噴射時期Ａを決定することができる。例えば、燃料噴射時期Ａは、９０から６０上死点前クランク角度とされることが好ましく、燃料噴射時期Ａに合わせて、噴射角度Ｖとシリンダボア直径Ｂと内燃機関のピストンのストローク長Ｓとを設定することができる。

図６は、各噴射角度Ｖ（°）（２０°、３０°、及び４５°）と各シリンダボア直径Ｂ（ｍｍ）（丸印９０ｍｍ、四角印８０ｍｍ、三角印７０ｍｍ）との組み合わせに対するストローク長Ｓ（ｍｍ）と最適タンブル比Ｒとの関係を示すグラフである。ここで、タンブル比Ｒとは、タンブル流がピストンにより押し潰されるまでの気筒内の旋回回数を表しており、例えば、タンブル流が吸気下死点において１．５回旋回していれば、タンブル比は３とすることができる。

タンブル比Ｒはタンブル流の強さを表している。タンブル流は、前述したように、燃料噴射時期において噴射された燃料をピストン頂面の排気ポート４側から吸気ポート３側へ移動させ、次いで、点火プラグ１近傍へ移動させ、点火時期において点火プラグ１近傍に位置させなければならず、成層燃焼時において最適なタンブル比Ｒ近傍のタンブル比を有するタンブル流が気筒内に生成されるように、例えば吸気ポート３の形状を設定しなければならない。

図６に示されているように、噴射角度Ｖとシリンダボア直径Ｂと内燃機関のピストンのストローク長Ｓとが定まれば、噴射燃料を圧縮行程末期の点火時期に点火プラグ１の近傍へ移動させるのに最適なタンブル比Ｒを決定することができる。強いタンブル流を生成することは難しく、例えば、タンブル比が３以下のタンブル流が生成されるようにされ、タンブル比Ｒに合わせて、噴射角度Ｖとシリンダボア直径Ｂと内燃機関のピストンのストローク長Ｓとが設定される。

図５及び６に基づき、最適な燃料噴射時期Ａ（°）（上死点前クランク角度）は次式（１）により設定することができ、最適なタンブル比Ｒは次式（２）により設定することができる。
Ａ＝（３６０／２π）・ｃｏｓ^-1｛１−（２ＢｔａｎＶ）／Ｓ｝ …（１）
Ｒ＝２２５／Ａ …（２）

本実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関は、燃料噴射弁が気筒上部周囲の吸気ポート側に配置されて、吸気行程において気筒内へ吸入された吸気によりシリンダボアの排気ポート側に沿って下降して吸気ポート側に沿って上昇するタンブル流が気筒内に形成されるものとしたが、例えば、燃料噴射弁が気筒上部周囲の排気ポート側に配置されて、吸気行程において気筒内へ吸入された吸気によりシリンダボアの吸気ポート側に沿って下降して排気ポート側に沿って上昇する逆タンブル流が気筒内に形成される場合には、成層燃焼を実施するために、燃料噴射弁は、圧縮行程後半においてピストン頂面とシリンダボアの吸気ポート側との境界近傍へ向けて燃料を噴射するようにすれば良い。

１点火プラグ
２燃料噴射弁
３吸気ポート
４排気ポート
５ピストン
Ｔタンブル流

Claims

気筒上部周囲の吸気ポート側に配置された燃料噴射弁と、気筒上部略中心に配置された点火プラグとを具備し、吸気行程において気筒内へ吸入された吸気によりシリンダボアの排気ポート側に沿って下降して吸気ポート側に沿って上昇するタンブル流が気筒内に形成される筒内噴射式火花点火内燃機関において、成層燃焼を実施するために、前記燃料噴射弁は、圧縮行程後半においてピストン頂面とシリンダボアの排気ポート側との境界近傍に燃料が到達するように燃料を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。