JPH1136871A - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 成層燃焼可能な領域を拡大して十分な燃費低
減を実現すること。 【解決手段】 点火プラグと、点火プラグの方向へ燃料
を噴射する燃料噴射弁とを具備し、燃料噴射弁から噴射
された燃料が直接的に点火プラグ近傍に成層燃焼混合気
を形成する筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料
噴射開始時期Ｔｉｓが固定され、燃料噴射開始時期Ｔｉ
ｓ及び燃料噴射弁の噴口から点火プラグまでの距離は、
噴射開始当初の燃料が気化して点火時点Ｔｉｇにおいて
点火プラグ近傍で一塊の可燃濃度混合気となるように設
定されていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、筒内噴射式火花点
火内燃機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧縮行程末期に気筒内へ直接的に燃料を
噴射して気化させ、点火時点において点火プラグ近傍に
着火性の良好な混合気を形成することにより、低燃費の
リーンバーンを可能とする成層燃焼が公知である。この
ような成層燃焼において、燃料の気化に、ピストンの熱
を利用するものが知られている。しかしながら、このよ
うな成層燃焼内燃機関は、ピストンへ衝突させた燃料を
点火プラグ近傍へ導くために、ピストン頂面には複雑な
加工が必要とされ、また、このように加工されたピスト
ン頂面の所定位置へ燃料を衝突させるために、ピストン
位置が所定範囲内である時にしか燃料を噴射することが
できず、燃料噴射量が比較的少ない低負荷運転領域でし
か成層燃焼を実施することができない。

【０００３】成層燃焼可能な運転領域を高負荷側へ拡大
するために、特開昭６３−２１５８１５号公報には、燃
料噴射弁から噴射された燃料が、気筒内の吸気から熱を
奪って気化し、直接的に点火プラグ近傍に混合気を形成
するようにした内燃機関が開示されている。この内燃機
関において、燃料噴射制御は、燃料噴射終了時期を固定
して、燃料噴射量が増加するほど燃料噴射開始時期が早
められるものである。ところで、燃料噴射弁から連続的
に噴射される燃料は、噴射開始当初の燃料が吸気から最
も熱を奪い易く良好に気化するが、遅く噴射される燃料
ほど、吸気の熱は消費され吸気から奪える熱量が減少す
るために、気化し難くなることが知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述の燃料噴射制御に
おいて、燃料噴射量が少ない時に良好な成層燃焼を実現
するためには、少なくとも噴射開始当初の燃料が点火プ
ラグ近傍に達して点火時期を迎えなければならず、燃料
噴射弁の噴口から点火プラグまでの距離を短しなければ
ならない。しかしながら、このような構成では、燃料噴
射量が多くなると、点火時点において、噴射開始当初の
良好に気化した燃料は点火プラグを既に通過して拡散
し、点火プラグ近傍には、遅く噴射されて気化状態が良
くない燃料が濃厚な混合気を形成するために、良好な着
火性を確保することができない。

【０００５】このように、前述の内燃機関によっては良
好な成層燃焼を実現可能な運転領域を拡大することはで
きず、十分に燃費を低減することができない。

【０００６】従って、本発明の目的は、成層燃焼可能な
運転領域を拡大して十分な燃費低減を実現することがで
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。

【０００７】

【課題を解決するための手段】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、点火プラグと、
前記点火プラグの方向へ燃料を噴射する燃料噴射弁とを
具備し、前記燃料噴射弁から噴射された燃料が直接的に
前記点火プラグ近傍に成層燃焼混合気を形成する筒内噴
射式火花点火内燃機関において、燃料噴射開始時期と点
火時期との間の時間間隔が固定され、前記時間間隔及び
前記燃料噴射弁の噴口から前記点火プラグまでの距離
は、噴射開始当初の燃料が気化して点火時点において前
記点火プラグ近傍で一塊の可燃濃度混合気となるように
設定されていることを特徴とする。

【０００８】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、機関運転状態により定ま
る燃料噴射量が所定量以上である時には、前記燃料噴射
開始時期からの主燃料噴射以前に副燃料噴射を実施し、
前記主燃料噴射の前記燃料噴射開始時期と前記副燃料噴
射の燃料噴射終了時期との間には短時間の間隔が設けら
れることを特徴とする。

【０００９】また、本発明による請求項３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、前記燃料噴射弁は複数で
あり、各前記燃料噴射弁は前記燃料噴射開始時期から同
時に燃料噴射を開始することを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明による筒内噴射式
火花点火内燃機関の第１実施形態を示す概略断面図であ
る。同図において、１は吸気ポート、２は排気ポートで
ある。吸気ポート１は吸気弁３を介して、排気ポート２
は排気弁４を介して、それぞれ気筒内へ通じている。５
はピストンであり、６は燃焼室上部に配置された点火プ
ラグであり、７は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。燃料噴射弁７は微粒化（粒径２０
μｍ以下）した燃料を噴射する一般的なものであり、そ
の噴口は点火プラグ６へ向けられている。

【００１１】図２は連続的に燃料を噴射した場合の燃料
の挙動を示す図である。同図において、Ａは燃料噴射開
始当初に噴射された燃料を示し、Ｂ，Ｃ，Ｄは、この順
番で燃料噴射開始当初以降に噴射された燃料をそれぞれ
示している。燃料噴射開始直後は、燃料Ａは依然として
液滴のままである。燃料噴射開始から１ｍｓ程度経過す
ると、燃料Ａは、気筒内の吸気の熱を奪って良好に気化
し、燃料噴射弁の噴口から所定距離Ｌの位置において良
好な着火性を有する一塊の可燃濃度混合気を形成する。
燃料Ｂは、燃料Ａを気化させるための吸気の熱量低下及
び時間的な理由により、この時点では十分に気化してお
らず、濃厚な混合気を形成する。燃料Ｃは依然として液
滴のままである。さらに時間が経過すると、燃料Ａは拡
散して希薄な混合気となり、燃料Ｂは可燃濃度混合気と
なり、燃料Ｃは濃厚な混合気となり、燃料Ｄは液滴のま
まである。

【００１２】ここで、燃料噴射開始から１ｍｓ程度経過
した時と、さらに時間が経過した時とを比較すると、各
燃料の到達位置から、燃料Ａが可燃濃度混合気となる噴
射開始からの時間（約１ｍｓ）は、燃料Ｂが可燃濃度混
合気となる噴射からの時間（１ｍｓ以上）より短いこと
が分かる。これは、先に噴射された燃料ほど吸気から良
好に熱を奪えるためである。

【００１３】本実施形態の燃料噴射弁７は、図３の第１
マップに示すように、燃料噴射開始時期Ｔｉｓが固定さ
れ、機関運転状態により定まる燃料噴射量が多いほど燃
料噴射終了時期Ｔｉｅを遅らせるようになっている。こ
の燃料噴射開始時期Ｔｉｓは、点火時期Ｔｉｇより１ｍ
ｓ前とされ、燃料噴射弁７の噴口から点火プラグ６まで
の距離は、前述の燃料の挙動で説明した距離Ｌとされて
いる。

【００１４】図４は、このように燃焼噴射制御された場
合の点火時点における各燃料噴射量毎の燃料の挙動を示
す図である。各燃料噴射量において、燃料噴射開始当初
の燃料Ａが点火プラグ６近傍において可燃濃度混合気と
なる時に点火時期を迎えることになり、確実な着火性を
確保して良好な成層燃焼を実現することができる。こう
して、少なくとも燃料噴射時間が１ｍｓまでの燃料噴射
量に対しては、点火プラグ近傍に着火性の良好な混合気
を形成することができ、成層燃焼可能な運転領域を高負
荷側に確実に拡大することができる。

【００１５】機関出力をさらに増加させるために、燃料
噴射時間が約１ｍｓの時の燃料噴射量を越えて燃料を噴
射する場合には、図５の第２マップに示すように、所定
燃料噴射量Ｑ１までは、燃料噴射開始時期Ｔｉｓからの
前述同様な主燃料噴射を実施し、所定燃料噴射量Ｑ１を
越える分については、この主燃料噴射以前に副燃料噴射
を実施するようになっている。この副燃料噴射の終了時
期ｔｉｅは固定されて、主燃料噴射の開始時期Ｔｉｓと
この副燃料噴射との間に短時間の間隔Ｉｎが設けられて
いる。副燃料噴射での燃料噴射量が多くなるほど、副燃
料噴射開始時期ｔｉｓは早められるようになっている。

【００１６】主燃料噴射における所定燃料噴射量Ｑ１
は、最後に噴射された燃料がある程度は気化して少なく
とも濃厚な混合気となるように、燃料噴射終了時期Ｔｉ
ｅから点火時期Ｔｉｇまでに、ある程度の時間が存在す
るように決定される。それにより、主燃料噴射において
噴射された所定燃料噴射量Ｑ１の燃料は、点火時点にお
いて、図４の真ん中の図のように、点火プラグ６近傍に
可燃濃度混合気を形成して確実な着火性を確保し、液滴
分が少ないために燃焼に際してスモークを発生させるこ
とはない。副燃料噴射により噴射された燃料は、点火時
点において拡散して希薄な混合気となっているが、主燃
料噴射により確実な着火性が確保されるために、良好に
燃焼し全体として燃料噴射量が多い高出力の運転を実現
することができる。

【００１７】主燃料噴射と副燃料噴射との間の時間間隔
Ｉｎは、この間で燃料の飛行線上の吸気が入れ代わるこ
とを可能とする。それにより、副燃料噴射によって燃料
の飛行線上の吸気の熱量が減少しても、この入れ代わり
によって主燃料噴射の燃料は、新たな吸気から良好に熱
を奪って気化することができ、前述のように混合気を形
成することが可能となる。この時間間隔Ｉｎを長くして
副燃料噴射を吸気行程とすることも可能である。しかし
ながら、この時間間隔Ｉｎを長くするほど、副燃料噴射
により噴射された燃料の拡散が大きくなる。副燃料噴射
の燃料が、こうして非常に希薄な混合気となると、良好
に燃焼せずに機関出力を高めるのに寄与しなくなるため
に、本実施形態においては、この時間間隔Ｉｎは短時間
とされている。

【００１８】図６は、燃料噴射時間が約１ｍｓの時の燃
料噴射量を越えて燃料を噴射する場合に使用する燃料噴
射制御の第３マップである。第２マップとの違いについ
てのみ以下に説明する。この燃料噴射制御では、副燃料
噴射を行うのであれば、主燃料噴射の燃料噴射量は燃料
噴射弁７の最小燃料噴射量Ｑｍｉｎとして、その分、副
燃料噴射の燃料噴射量を増量するようになっている。そ
れにより、主燃料噴射により噴射された燃料の全ては、
図４の上側の図のように、点火時点において点火プラグ
６近傍に可燃濃度混合気だけを形成し、確実な着火性が
確保されると共に、燃焼が多少悪化する濃厚な混合気も
形成されず、スモークの発生を防止することができる。
しかしながら、副燃料噴射における燃料噴射量が増加す
るために、副燃料噴射の燃料噴射開始時期が早まり、点
火時点において、副燃料噴射の噴射開始当初の燃料の拡
散が、ある程度大きくなり、前述した機関出力の問題を
多少発生する可能性がある。

【００１９】図７は、燃料噴射時間が約１ｍｓの時の燃
料噴射量を越えて燃料を噴射する場合に使用する燃料噴
射制御の第４マップである。第３マップとの違いについ
てのみ以下に説明する。この燃料噴射制御では、副燃料
噴射量を点火時点で大きな拡散が発生しないような所定
量とし、主燃料噴射の燃料噴射量を残りの燃料噴射量
（Ｑ１−Ｑ２）から徐々に多くするようになっている。
それにより、副燃料噴射の拡散の問題を、ある程度解決
することができると共に、第２マップの燃料噴射に比較
して主燃料噴射の噴射量が少なくなり、スモークの発生
を低減することができる。

【００２０】以上説明したように、燃料噴射弁から噴射
された燃料によって直接的に点火プラグ近傍に混合気を
形成する成層燃焼内燃機関では、点火時点において燃料
が拡散する副燃料噴射は行われない方が好ましく、主燃
料噴射の燃料噴射量は少ない方が好ましい。また、副燃
料噴射が行われないことは、主燃料噴射以前に気筒内の
吸気の熱量が消費されないために、主燃料噴射による良
好な混合気形成に有利なことは明らかである。図８は、
これらを満足して機関高負荷時まで良好な成層燃焼を実
現するための第２実施形態である。本実施形態では、二
つの燃料噴射弁７ａ，７ｂが配置されている。

【００２１】第１燃料噴射弁７ａは、第１実施形態の燃
料噴射弁と同様に吸気弁３側に配置され、第２燃料噴射
弁７ｂは、第１燃料噴射弁７ａに対して略９０°の位置
に配置されている。各燃料噴射弁７ａ，７ｂは、それぞ
れ、点火プラグ６の近傍ではあるが点火プラグ６の中心
ではない互いに異なる位置へ向かい燃料を噴射するよう
になっている。これらの各位置と各燃料噴射弁７ａ，７
ｂの噴口との距離は、それぞれ、前述の距離Ｌとされて
いる。第１及び第２燃料噴射弁７ａ，７ｂの燃料噴射制
御は、図３に示す第１マップと同様なマップに従って同
時に行われる。

【００２２】このような構成により、機関運転状態によ
り定まる燃料噴射量を二つの燃料噴射弁７ａ，７ｂによ
って二分割して噴射することができ、副燃料噴射を行う
ことなく機関高負荷時に必要な多量の燃料を噴射するこ
とができる。また、必要な燃料噴射量が比較的少ない時
には、一つの燃料噴射弁により主燃料噴射において噴射
される燃料量を、さらに少なくすることができる。

【００２３】各燃料噴射弁７ａ，７ｂにより噴射される
燃料は、点火時点において点火プラグ６近傍に可燃濃度
混合気をそれぞれに形成する。この時、各燃料噴射弁７
ａ，７ｂが、例えば、点火プラグ６中心のように同じ位
置に向けて燃料を噴射すると、可燃濃度混合気同士が重
なって濃厚な混合気となるが、本実施形態では、点火プ
ラグ６近傍であるが異なる位置へ向けて燃料を噴射する
ために、点火プラグ６近傍には可燃濃度混合気が重なる
ことなく第１実施形態より広範囲に形成され、良好な成
層燃焼を実現することができる。本実施形態において、
各燃料噴射弁の燃料噴射量をさらに少なくするために、
燃料噴射弁の数をさらに増加することも可能である。

【００２４】図９は、同様な考え方に基づく第３実施形
態である。本実施形態では、二つの燃料噴射弁７ａ，７
ｂのそれぞれに対して別の点火プラグ６ａ，６ｂが設け
られている。このような構成によっても、第２実施形態
と同様な効果を得ることができる。本実施形態では、各
燃料噴射弁７ａ，７ｂの燃料噴射の方向を大きく異なら
せることができるために、各燃料噴射弁７ａ，７ｂの燃
料噴射による可燃濃度混合気同士が重なることを確実に
回避することができる。もちろん、本実施形態におい
て、二組以上の燃料噴射弁及び点火プラグを配置するこ
とも可能である。全ての実施形態において、理解を容易
にするために、点火時期を固定し、それに伴って主燃料
噴射の燃料噴射開始時期及び副燃料噴射の燃料噴射終了
時期を固定したが、燃料噴射量に応じて点火時期を変化
させることも可能であり、例えば、燃料噴射量が多いほ
ど点火時期をリタードさせても良い。このように点火時
期を変化させる場合には、主燃料噴射の燃料噴射開始時
期から点火時期までの時間間隔が一定となるように燃料
噴射開始時期を変化させれば、前述の効果を得ることが
できる。副燃料噴射の燃料噴射終了時期も同様に変化さ
せることが好ましいが、前述した短時間の間隔Ｉｎは、
特に、燃料噴射量に対して一定である必要はない。

【００２５】

【発明の効果】このように、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、燃料噴射開
始時期と点火時期との間の時間間隔が固定され、この時
間間隔及び燃料噴射弁の噴口から点火プラグまでの距離
は、噴射開始当初の燃料が気化して点火時点において点
火プラグ近傍で一塊の可燃濃度混合気となるように設定
されているために、この燃料噴射開始時期から点火時期
までに噴射される比較的多量の燃料による良好な成層燃
料を実現することができ、成層燃焼可能な運転領域が拡
大されて、十分な燃費低減が可能となる。

【００２６】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、機関運転状態によ
り定まる燃料噴射量が所定量以上である時には、前述の
燃料噴射開始時期からの主燃料噴射以前に副燃料噴射を
実施し、主燃料噴射の燃料噴射開始時期と副燃料噴射の
燃料噴射終了時期との間には短時間の間隔が設けられる
ために、副燃料噴射の燃料は点火時点であまり拡散する
ことはなく、この間隔によって燃料飛行線上の吸気が入
れ代えられて主燃料噴射の燃料による良好な混合気形成
が可能となり、多量の燃料が必要とされる機関高負荷時
まで良好な成層燃焼が可能となって燃費をさらに低減す
ることができる。

【００２７】また、本発明による請求項３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、燃料噴射弁は複数
であり、各燃料噴射弁は固定の燃料噴射開始時期から同
時に燃料噴射を開始するために、各燃料噴射弁の燃料噴
射量を少なくすることができ、固定の燃料噴射開始時期
から全体として多量の燃料を噴射することができるため
に、副燃料噴射が不要であり、副燃料噴射が有する問題
を確実に防止すると共に、主燃料噴射の燃料噴射量が多
い時の問題も確実に防止して、良好な成層燃焼可能な運
転領域を機関高負荷時まで拡大でき、十分な燃費低減が
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第
１実施形態を示す概略断面図である。

【図２】燃料噴射弁から連続的に噴射された燃料の挙動
を示す図である。

【図３】燃料噴射制御のための第１マップである。

【図４】各燃料噴射量毎の点火時期における燃料の挙動
を示す図である。

【図５】燃料噴射制御のための第２マップである。

【図６】燃料噴射制御のための第３マップである。

【図７】燃料噴射制御のための第４マップである。

【図８】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第
２実施形態を示す概略図である。

【図９】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第
３実施形態を示す概略図である。

【符号の説明】

１…吸気ポート ２…排気ポート ３…吸気弁 ４…排気弁 ５…ピストン ６…点火プラグ ７…燃料噴射弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柏倉 利美 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 北東 宏之 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 点火プラグと、前記点火プラグの方向へ
   燃料を噴射する燃料噴射弁とを具備し、前記燃料噴射弁
   から噴射された燃料が直接的に前記点火プラグ近傍に成
   層燃焼混合気を形成する筒内噴射式火花点火内燃機関に
   おいて、燃料噴射開始時期と点火時期との間の時間間隔
   が固定され、前記時間間隔及び前記燃料噴射弁の噴口か
   ら前記点火プラグまでの距離は、噴射開始当初の燃料が
   気化して点火時点において前記点火プラグ近傍で一塊の
   可燃濃度混合気となるように設定されていることを特徴
   とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
2. 【請求項２】 機関運転状態により定まる燃料噴射量が
   所定量以上である時には、前記燃料噴射開始時期からの
   主燃料噴射以前に副燃料噴射を実施し、前記主燃料噴射
   の前記燃料噴射開始時期と前記副燃料噴射の燃料噴射終
   了時期との間には短時間の間隔が設けられることを特徴
   とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
3. 【請求項３】 前記燃料噴射弁は複数であり、各前記燃
   料噴射弁は前記燃料噴射開始時期から同時に燃料噴射を
   開始す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。