JP4479822B2

JP4479822B2 - 筒内噴射式火花点火内燃機関

Info

Publication number: JP4479822B2
Application number: JP2008110629A
Authority: JP
Inventors: 幸生森
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-04-21
Filing date: 2008-04-21
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2028-04-21
Also published as: WO2009130555A1; CN102016274B; US8718903B2; CN102016274A; US20110036325A1; JP2009264107A; DE112009000974T5

Description

本発明は筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。

燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた均質燃焼を行う筒内噴射式火花点火内燃機関において、圧縮行程開始後、燃焼室内のガスが吸気弁を介して吸気通路内に逆流し始めた後に吸気弁を閉弁し、吸気弁閉弁後に燃料を噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関が公知である（特許文献１参照）。この内燃機関によれば、圧縮行程開始後、燃焼室内のガスが吸気弁を介して吸気通路内に逆流し始めた後に吸気弁を閉弁することによってポンピング損失が低減し、燃料消費が抑制されるという効果がある。更に、吸気弁閉弁後に燃料を噴射することによって、吸気弁開弁中に燃料を噴射する場合に比べて上死点付近での温度・圧力を高めることができ、強い乱れが生じることによって燃焼速度が向上するという利点もある。

特開平９−２８７４８７号公報

しかしながら、この内燃機関では、燃料噴射後点火までの時間が短いため、均質燃焼に最適な、燃焼室内に均一な混合気が得られず、そのため未燃燃料が増加するなど未燃損失が増大するという問題がある。

そこで本発明は、圧縮行程開始後、燃焼室内のガスが吸気弁を介して吸気通路内に逆流し始めた後に吸気弁を閉弁する筒内噴射式火花点火内燃機関において、混合気の新たな形成方法を提供すると共に、未燃損失を低減するため機関運転状態に応じた最適な混合気を形成することを目的とする。

前記課題を解決するために請求項１に記載の発明によれば、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、圧縮行程開始後、燃焼室内のガスが吸気弁を介して吸気通路内に逆流し始めた後に吸気弁を閉弁する筒内噴射式火花点火内燃機関において、噴射すべき燃料を第１の燃料噴射と第２の燃料噴射とに分割して燃料噴射を行い、圧縮行程中であって、吸気弁が開弁中に第１の燃料噴射を行うと共に吸気弁が閉弁後に第２の燃料噴射を行い、第１の燃料噴射により噴射された燃料が、燃焼室から吸気弁に向かうガス流れによって燃焼室頂部に向け偏向されるように第１の燃焼噴射時期を設定した筒内噴射式火花点火内燃機関が提供される。

即ち、請求項１に記載の発明では、第１の燃料噴射により噴射された燃料が、燃焼室から吸気弁に向かうガス流れによって燃焼室頂部に向け偏向されるのに対して、第２の燃料噴射により噴射された燃料は偏向されることない。従って、２回に分けて噴射されたそれぞれの燃料は燃焼室内で異なる方向の流れを形成し、その結果、燃焼室内で混合気が形成されるという、混合気の新たな形成方法が提供される。

また、請求項２に記載の発明によれば請求項１に記載の発明において、当該内燃機関は、燃焼室内に均一な混合気を形成する均質燃焼モードで運転可能であり、均質燃焼を行うべき時には、機関負荷の増加に応じて噴射すべき燃料に対する第１の燃料噴射により噴射される燃料の割合を大きくする筒内噴射式火花点火内燃機関が提供される。ここで、均質燃焼を行うべき時とは、例えば、機関負荷又は機関回転数が予め定められた値よりも高い時等をいう。

即ち、請求項２に記載の発明では、機関負荷の増加に伴い、噴射すべき燃料が増大する。噴射すべき燃料を増大させるためには噴射時間を延ばす必要がある。しかし、噴射時間を延ばすとそれに伴い貫徹力（ペネトレーション）が増大する。この場合において、噴射すべき燃料に対する第２の燃料噴射により噴射される燃料の割合を、第１の燃料噴射により噴射される燃料と等しいか又はそれよりも大きくしてしまうと、噴射された燃料の大部分が燃焼室内下方に溜まってしまう。従って、機関負荷の増加に応じて噴射すべき燃料に対する第１の燃料噴射により噴射される燃料の割合を大きくすることによって、結果として燃焼室頂部に向け偏向される絶対量を増加させる。それにより、２回に分けて噴射されたそれぞれの燃料の燃焼室内での分布の均衡を図ると共にそれぞれ方向の異なる燃料の流れによって、均質燃焼に適した混合気を形成することができる。燃焼に最適な混合気が形成されれば、燃焼速度が向上し、未燃損失を低減させることが可能となる。

また、請求項３に記載の発明によれば請求項１に記載の発明において、当該内燃機関は、燃焼室内に均一な混合気を形成する均質燃焼モードで運転可能であり、均質燃焼を行うべき時には、機関回転数の増加に応じて噴射すべき燃料に対する第１の燃料噴射により噴射される燃料の割合を小さくする筒内噴射式火花点火内燃機関が提供される。

即ち、請求項３に記載の発明では、機関回転数の増加に伴い、燃焼室から吸気弁に向かうガス流れが強くなり、その結果、第１の燃料噴射により噴射された燃料がより偏向され易くなる。従って、機関回転数の増加に応じて噴射すべき燃料に対する第１の燃料噴射により噴射される燃料の割合を小さくすることによって、結果として燃焼室頂部に向け偏向される燃料の絶対量を減少させる。それにより、２回に分けて噴射されたそれぞれの燃料の燃焼室内での分布の均衡を図ると共にそれぞれ方向の異なる燃料の流れによって、均質燃焼に適した混合気を形成することができる。燃焼に最適な混合気が形成されれば、燃焼速度が向上し、未燃損失を低減させることが可能となる。

また、請求項４に記載の発明によれば請求項１に記載の発明において、当該内燃機関は、燃焼室内に均一な混合気を形成する均質燃焼モードと、点火栓近傍に混合気を形成すると共にその他の領域をそれのみでは点火栓により点火しても着火し得ない希薄な混合気により満たした弱成層燃焼モードとの間で切替運転可能であり、弱成層燃焼を行うべき時には、均質燃焼時よりも噴射すべき燃料に対する第２の燃料噴射により噴射される燃料の割合を大きくする筒内噴射式火花点火内燃機関が提供される。ここで、弱成層燃焼を行うべき時とは、燃焼が不安定になりやすい軽機関負荷である、予め定められた機関負荷以下となった時等をいう。

即ち、請求項４に記載の発明では、燃焼が不安定になり易い軽機関負荷時に弱成層燃焼を行うため、まず、第１の燃料噴射により噴射された燃料を、燃焼室から吸気弁に向かうガス流れによって、拡散させ、燃焼室内に希薄な混合気を形成する。次いで、第２の燃料噴射により噴射された燃料を、燃焼室内のガス流れを利用して誘導することによって点火栓近傍に混合気を形成する。その際、均質燃焼時よりも噴射すべき燃料に対する第２の燃料噴射により噴射される燃料の割合を大きくすることによって、点火栓近傍により濃度の高い混合気を形成し、燃焼室内全体として弱成層燃焼に適した混合気を形成する。それによって、安定した燃焼を得ることができ、未燃損失を低減させることが可能となる。

また、請求項５に記載の発明によれば請求項１から４のいずれか１つに記載の発明において、燃料噴射弁からの燃料噴射の噴射中心軸線とピストンの中心軸線に対して垂直な平面とが成す角度が４５度以上である筒内噴射式火花点火内燃機関が提供される。

各請求項に記載の発明によれば、混合気の新たな形成方法を提供することができるという共通の効果を奏する。更に請求項２から５の発明によれば上記共通の効果に加えて、未燃損失を低減するため機関運転状態に応じた最適な混合気を形成することができるという効果を奏する。

図１を参照しながら本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関について説明する。図１において、１は例えば四つの気筒を備えた機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は吸気弁、７は吸気通路、８は排気弁、９は排気通路、１０は点火栓をそれぞれ示す。吸気通路７は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介してエアクリーナ１４に連結される。吸気ダクト１３内には吸入空気流量を検出するためのエアフローメータ１５と、ステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７とが配置される。また、燃焼室５内には燃焼室５内に燃料を噴射する電気制御式の燃料噴射弁１８が配置される。

更に、吸気弁６及び排気弁８には、それらの開弁動作を変更する可変動弁機構１９，２０がそれぞれ設けられる。ここで、開弁動作は例えばリフト量、開弁期間（作用角）及び開弁開始時期のうち一つ又は複数によって定められ、本実施形態の機構は公知のいずれの機構も使用可能であるため詳述はしない。

一方、排気通路９は排気枝管２１を介して小容量の三元触媒２２に連結され、三元触媒２２上流排気通路には空燃比を検出するための空燃比センサ２３が取り付けられる。機関本体１には機関冷却水温を検出するための水温センサ２４が取り付けられる。

電子制御ユニット（ＥＣＵ）４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５及び出力ポート４６を具備する。アクセルペダル４９にはアクセルペダル４９の踏み込み量を検出するための負荷センサ５０が接続される。ここで、アクセルペダル４９の踏み込み量は要求負荷を表している。

エアフローメータ１５、空燃比センサ２３、水温センサ２４、及び負荷センサ５０の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５１が接続される。ＣＰＵ４４ではクランク角センサ５１の出力パルスに基づいて機関回転数が算出される。

一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して点火栓１０、ステップモータ１６、燃料噴射弁１８、及び可変動弁機構１９，２０にそれぞれ接続され、これらは電子制御ユニット４０からの出力信号に基づいて制御される。

三元触媒２２は、酸素吸蔵能力を有しており、これにより三元触媒２２に流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときには排気ガス中の酸素を吸蔵すると共に、三元触媒２２に流入する排気ガスの空燃比がリッチであるときには吸蔵している酸素を放出することにより排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯを酸化・浄化する。

本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関は、圧縮行程開始後、燃焼室５内のガスが吸気弁６を介して吸気通路７内に逆流し始めた後に吸気弁６を閉弁する運転状態を有する。即ち、これによって、ポンピング損失が低減し、燃料消費が抑制されるという従来の利点を有する。また、当該内燃機関は、燃焼室５内に均一な混合気を形成する均質燃焼モードと、点火栓１０近傍に混合気を形成すると共にその他の領域をそれのみでは点火栓１０により点火しても着火し得ない希薄な混合気により満たした弱成層燃焼モードとの間で切替運転が可能である。

更に、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関は、噴射すべき燃料を、１回目の燃料噴射と１回目の燃料噴射とに分割して燃料噴射を行い、吸気弁６が開弁中に１回目の燃料噴射を行うと共に吸気弁６が閉弁後に２回目の燃料を噴射する２回目の燃料噴射を行うことを特徴とする。

まず、図２を参照しながら２回目の燃料噴射から説明する。図２は、吸気弁６が閉弁された圧縮行程中の燃料噴射を示す筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。この２回目の燃料噴射では、後述するような燃焼室５内のガス流れの影響を受けることがないため、噴射された燃料は偏向することなく、噴射時の貫徹力（ペネトレーション）によって直進する。このときの燃料噴射弁１８から噴射された燃料噴霧３０の噴射中心軸線３１とピストン４の中心軸線に対して垂直な平面３２とが成す角を角度θとする。

次に、図３を参照しながら１回目の燃料噴射について説明する。図３は、圧縮行程中であって吸気弁６が開弁中の燃料噴射を示す筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。この１回目の燃料噴射では、噴射された燃料が燃焼室５から吸気弁６に向かうガス流れによって燃焼室５頂部に向け偏向される。即ち、圧縮行程開始後、ピストン４が圧縮下死点から上昇し、燃焼室５内のガスが吸気弁６を介して吸気通路７内に逆流し始めている。従って、１回目の燃料噴射時、燃焼室５内には吸気弁６又は吸気通路７に向かうガス流れが形成されており、噴射された燃料はそのガス流れによって、図３の燃料噴霧３０が示すように、燃焼室５頂部に向かって曲げられることとなる。

１回目の燃料噴射により噴射された燃料の偏向の程度は、吸気弁６のリフト量、即ち、その燃料噴射時期や燃料の噴射速度又は噴射量によって調整可能である。従って、本発明によれば、燃焼室５内のガスの逆流を利用し、燃料噴射時期等を調整することで、１つの燃料噴射弁から異なる方向の複数の燃料の流れを形成することが可能となる。

以下に示す実施形態では、上述の１回目及び２回目の燃料噴射を利用した新たな混合気の形成方法を実現し、機関運転状態に応じた最適な混合気が形成されるように、噴射すべき燃料に対する１回目の燃料噴射により噴射された燃料と２回目の燃料噴射により噴射された燃料の割合を変化させている。

図４は、本発明の第１の実施形態による吸気弁６の開弁期間と燃料噴射時期との関係を示す図である。横軸はクランク角であり、吸気上死点（ＴＤＣ）から圧縮上死点（ＴＤＣ）の間を示している。吸気弁６の閉弁時期は、前述のように、圧縮行程開始後、ピストン４が圧縮下死点（ＢＤＣ）から上昇し燃焼室５内のガスが吸気弁６を介して吸気通路７内に逆流し始めた後に設定される。

図４において、Ｉは１回目の燃料噴射時期を示し、ＩＩは２回目の燃料噴射時期を示す。図４に示す実施形態おいては、１回目の燃料噴射により噴射された燃料と２回目の燃料噴射により噴射された燃料とが等しい場合を示している。１回目の燃料噴射時期Ｉが、早過ぎた場合には噴射された燃料の大部分が吸気通路７内への逆流と伴に吸気通路７内へ流出してしまい、逆に遅過ぎた場合には噴射された燃料を十分に偏向させることができない。また、２回目の燃料噴射時期ＩＩが、遅過ぎた場合には点火時に燃焼室５内で十分に混合気を形成しないため、吸気弁の閉弁直後であることが好ましい。

従って、１回目の燃料噴射時期Ｉを調整することによって、１回目の燃料噴射により噴射された燃料の偏向の程度を調整可能である。偏向した１回目の燃料噴射により噴射された燃料と、角度θの２回目の燃料噴射により噴射された燃料とからなる異なる方向の燃料の流れにより、燃焼室５内に混合気を形成するという、新たな混合気の形成方法が提供される。

なお、本実施形態を含め、以下の実施形態を説明する図５及び６において、１回目の燃料噴射時期Ｉ及び２回目の燃料噴射時期ＩＩの長さは、燃料を噴射する区間を示すと共に、主に燃料の量の大きさを示すものとする。

図５は、本発明の第２の実施形態による吸気弁６の開弁期間と燃料噴射時期との関係を示す図である。第２の実施形態では、均質燃焼を行う場合において第１の実施形態に示される機関運転状態よりも高い機関負荷の状態における燃料噴射時期を示している。

即ち、機関負荷の増加に伴い、噴射すべき燃料が増大する。噴射すべき燃料を増大させるためには噴射時間を延ばす必要がある。しかし、噴射時間を延ばすとそれに伴い貫徹力が増大する。この場合において、噴射すべき燃料に対する２回目の燃料噴射により噴射される燃料の割合を、１回目の燃料噴射により噴射される燃料と等しいか又はそれよりも大きくしてしまうと、噴射された燃料の大部分が燃焼室５内下方に溜まってしまう。従って、機関負荷の増加に応じて噴射すべき燃料に対する１回目の燃料噴射により噴射される燃料の割合を大きくすることによって、結果として燃焼室５頂部に向け偏向される絶対量を増加させる。即ち、図５において、１回目の噴射時期Ｉの長さは２回目の噴射時期ＩＩの長さよりも長い。それにより、２回に分けて噴射されたそれぞれの燃料の燃焼室５内での分布の均衡を図ると共にそれぞれ方向の異なる燃料の流れによって、均質燃焼に適した混合気を形成することができる。

図６は、本発明の第３の実施形態による吸気弁６の開弁期間と燃料噴射時期との関係を示す図である。第３の実施形態では、均質燃焼を行う場合において第１の実施形態に示される機関運転状態よりも高い機関回転数の状態における燃料噴射時期を示している。

即ち、機関回転数の増加に伴い、燃焼室５から吸気弁６に向かうガス流れが強くなり、その結果、１回目の燃料噴射により噴射された燃料がより偏向され易くなる。従って、機関回転数の増加に応じて噴射すべき燃料に対する１回目の燃料噴射により噴射される燃料の割合を小さくすることによって、結果として燃焼室５頂部に向け偏向される燃料の絶対量を減少させる。即ち、図６において、１回目の噴射時期Ｉの長さは２回目の噴射時期ＩＩの長さよりも短い。それにより、２回に分けて噴射されたそれぞれの燃料の燃焼室５内での分布の均衡を図ると共にそれぞれ方向の異なる燃料の流れによって、均質燃焼に適した混合気を形成することができる。

本発明の第４の実施形態は、本発明による１回目と２回目に分けた燃料噴射を利用し、燃焼が不安定になり易い軽機関負荷時において弱成層燃焼を行うことに関する。弱成層燃焼を行うため、まず、１回目の燃料噴射により噴射された燃料を、燃焼室５から吸気弁６に向かうガス流れによって拡散させ、燃焼室５内に希薄な混合気を形成する。次いで、２回目の燃料噴射により噴射された燃料を、燃焼室５内のガス流れを利用して誘導することによって点火栓１０近傍に混合気を形成する。その際、均質燃焼時よりも噴射すべき燃料に対する２回目の燃料噴射により噴射される燃料の割合を大きくすることによって、点火栓１０近傍により濃度の高い混合気を形成し、弱成層燃焼に適した混合気を形成する。それによって、安定した燃焼を得ることができ、未燃損失を低減させることが可能となる。

なお、２回目の燃料噴射により噴射された燃料を点火栓１０近傍に確実に導くため、ピストン４頂面に公知のキャビティを形成してもよい。

以上より、機関運転状態に応じた最適な混合気の形成が実現できる。なお、上述した各実施形態における最適な１回目と２回目の燃料噴射によって噴射される燃料の割合、１回目の燃料噴射時期等は、予め実験又は計算によって求める。

なお、角度θは４５度以上であることが、各実施形態に最適な混合気を形成する上で好ましい。

本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。吸気弁が閉弁された圧縮行程中の燃料噴射を示す筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。吸気弁が開弁中の燃料噴射を示す筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。本発明の第１の実施形態による吸気弁の開弁期間と燃料噴射時期との関係を示す図である。本発明の第２の実施形態による吸気弁の開弁期間と燃料噴射時期との関係を示す図である。本発明の第３の実施形態による吸気弁の開弁期間と燃料噴射時期との関係を示す図である。

符号の説明

１機関本体
４ピストン
５燃焼室
６吸気弁
７吸気通路
１０点火プラグ
１８燃料噴射弁

Claims

燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、圧縮行程開始後、燃焼室内のガスが吸気弁を介して吸気通路内に逆流し始めた後に吸気弁を閉弁する筒内噴射式火花点火内燃機関において、噴射すべき燃料を第１の燃料噴射と第２の燃料噴射とに分割して燃料噴射を行い、圧縮行程中であって、吸気弁が開弁中に第１の燃料噴射を行うと共に吸気弁が閉弁後に第２の燃料噴射を行い、第１の燃料噴射により噴射された燃料が、燃焼室から吸気弁に向かうガス流れによって燃焼室頂部に向け偏向されるように第１の燃焼噴射時期を設定した筒内噴射式火花点火内燃機関。
当該内燃機関は、燃焼室内に均一な混合気を形成する均質燃焼モードで運転可能であり、均質燃焼を行うべき時には、機関負荷の増加に応じて噴射すべき燃料に対する第１の燃料噴射により噴射される燃料の割合を大きくする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
当該内燃機関は、燃焼室内に均一な混合気を形成する均質燃焼モードで運転可能であり、均質燃焼を行うべき時には、機関回転数の増加に応じて噴射すべき燃料に対する第１の燃料噴射により噴射される燃料の割合を小さくする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
当該内燃機関は、燃焼室内に均一な混合気を形成する均質燃焼モードと、点火栓近傍に混合気を形成すると共にその他の領域をそれのみでは点火栓により点火しても着火し得ない希薄な混合気により満たした弱成層燃焼モードとの間で切替運転可能であり、弱成層燃焼を行うべき時には、均質燃焼時よりも噴射すべき燃料に対する第２の燃料噴射により噴射される燃料の割合を大きくする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
燃料噴射弁からの燃料噴射の噴射中心軸線とピストンの中心軸線に対して垂直な平面とが成す角度が４５度以上である請求項１から４のいずれか１つに記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。