JP2007285205A - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】点火時期において気筒内の一部に形成された一塊の可燃混合気内に点火プラグの点火ギャップが位置するようにして可燃混合気を着火燃焼させることにより成層燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、成層燃焼時の噴射燃料のシリンダボアへの衝突を抑制すると共に、燃焼速度を速めて良好な成層燃焼を実現可能とする。
【解決手段】燃料噴射弁１は、噴射燃料の広がり角度を少なくとも大小二段階に切り換え可能であり、成層燃焼に際して、燃料噴射中に噴射燃料の広がり角度を切り換え、広がり角度が大きく貫徹力の弱い噴射燃料の一部が点火プラグ２の点火ギャップへ向かうようにされ、広がり角度が小さく貫徹力の強い噴射燃料は点火プラグの点火ギャップへ向かわないようにされる。
【選択図】図２

Description

本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。

圧縮行程後半において噴射燃料の一部が点火プラグの点火ギャップへ向かうように燃料噴射弁により燃料を噴射し、点火時期において気筒内の一部に形成された一塊の可燃混合気内に点火プラグの点火ギャップが位置するようにして可燃混合気を着火燃焼させる成層燃焼が公知である。このような成層燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関においては、点火プラグが高温となってプレイグニッションが発生し易くなるために、点火プラグを大きく気筒内へ突出させることは難しい。

一般的に、点火プラグ及び燃料噴射弁は、いずれも気筒上部に配置されるために、前述のように噴射燃料の一部が点火プラグの点火ギャップへ向かうようにするためには、噴射燃料の広がり角度を大きくして燃料噴霧の貫徹力を弱めるようにしないと、点火プラグの点火ギャップを通過した燃料は、ほぼ気筒上壁に沿って飛行し、シリンダボアまで比較的短い距離しかないために、シリンダボアへ容易に衝突してしまう。この衝突に際してシリンダボアへ付着した燃料は、燃焼せずに未燃燃料として排出され、排気エミッションを悪化させる。

それにより、噴射燃料の広がり角度を可変とする燃料噴射弁を具備し、気筒内に均質混合気を形成するための吸気行程噴射では噴射燃料の広がり角度を小さくし、成層燃焼時の圧縮行程噴射では噴射燃料の広がり角度を大きく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）。

特開平８−１７７６８４ 特開２００５−５４７３３

成層燃焼において、気筒内の一部に形成される可燃混合気内に乱れを存在させると、燃焼速度の速い良好な燃焼とすることができる。しかしながら、前述の筒内噴射式火花点火内燃機関では、成層燃焼時の噴射燃料の貫徹力が弱められるために、噴射燃料によって可燃混合気内に乱れを発生させることができない。

従って、本発明の目的は、点火プラグ及び燃料噴射弁を気筒上部中心近傍に配置して、噴射燃料の一部が点火プラグの点火ギャップへ向かうように燃料噴射弁により燃料を噴射し、点火時期において気筒内の一部に形成された一塊の可燃混合気内に点火プラグの点火ギャップが位置するようにして可燃混合気を着火燃焼させることにより成層燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、成層燃焼時の噴射燃料のシリンダボアへの衝突を抑制すると共に、燃焼速度を速めて良好な成層燃焼を実現可能とすることである。

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、点火プラグ及び燃料噴射弁を気筒上部中心近傍に配置して、噴射燃料の一部が前記点火プラグの点火ギャップへ向かうように前記燃料噴射弁により燃料を噴射し、点火時期において気筒内の一部に形成された一塊の可燃混合気内に前記点火プラグの点火ギャップが位置するようにして前記可燃混合気を着火燃焼させることにより成層燃焼を実施する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、噴射燃料の広がり角度を少なくとも大小二段階に切り換え可能であり、成層燃焼に際して、燃料噴射中に噴射燃料の広がり角度を切り換え、広がり角度が大きく貫徹力の弱い噴射燃料の一部が前記点火プラグの点火ギャップへ向かうようにされ、広がり角度が小さく貫徹力の強い噴射燃料は前記点火プラグの点火ギャップへ向かわないようにされることを特徴とする。

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、前記燃料噴射弁は、成層燃焼に際して、圧縮行程から膨張行程の間におい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、弁体を高リフト量及び低リフト量の二段階に制御可能であり、前記弁体を前記低リフト量として開弁すると、燃料は噴孔内を旋回しながら通過して噴射され、噴射燃料は広がり角度が大きく貫徹力が弱くされ、前記弁体を前記高リフト量として開弁すると、燃料は噴孔内を旋回せずに通過して噴射され、噴射燃料は広がり角度が小さく貫徹力が強くされ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、気筒上部中心近傍に配置された燃料噴射弁は、噴射燃料の広がり角度を少なくとも大小二段階に切り換え可能であり、成層燃焼に際して、燃料噴射中に噴射燃料の広がり角度を切り換え、広がり角度が大きく貫徹力の弱い噴射燃料の一部が気筒上部中心近傍に配置された点火プラグの点火ギャップへ向かうようにされ、点火プラグの点火ギャップを通過した燃料のシリンダボアへの衝突を抑制すると共に、点火時期において噴射燃料全体によって気筒内の一部に形成された一塊の可燃混合気内に点火プラグの点火ギャップを位置させて可燃混合気の着火燃焼を可能とすることができる。

また、広がり角度が小さく貫徹力の強い噴射燃料は点火プラグの点火ギャップへ向かわないようにされ、燃料のシリンダボアへの衝突を抑制すると共に、自身飛行経路内において吸気との衝突により乱れを発生させて可燃混合気となるために、点火時期において気筒内の一部に形成される一塊の可燃混合気の一部には乱れが発生しており、燃焼速度の速い良好な成層燃焼を実現することができる。

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、燃料噴射弁は、成層燃焼に際して、圧縮行程から膨張行程の間において燃料を噴射し、圧縮行程の燃料噴射による成層燃焼だけでなく、膨張行程の燃料噴射により点火時期を大幅に遅角させて排気ガス温度を高めるような成層燃焼においても、噴射燃料のシリンダボアへの衝突を抑制すると共に燃焼速度を速くすることができる。

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、弁体を高リフト量及び低リフト量の二段階に制御可能であり、弁体を低リフト量として開弁すると、燃料は噴孔内を旋回しながら通過して噴射され、噴射燃料は広がり角度が大きく貫徹力が弱くされ、弁体を高リフト量として開弁すると、燃料は噴孔内を旋回せずに通過して噴射され、噴射燃料は広がり角度が小さく貫徹力が強くされ、こうして、燃料噴射弁は噴射燃料の広がり角度を大小二段階に切り換えることができる。

図１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シリンダヘッドの底面図であり、図２は図１の筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図であり、いずれも成層燃焼のための燃料噴射時期を示している。これらの図において、１は気筒上部略中心に配置されて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り、２は燃料噴射弁１の近傍に配置された点火プラグである。３はピストンであり、４は一対の吸気弁であり、５は一対の排気弁である。

本筒内噴射式火花点火内燃機関は、燃料噴射弁１により圧縮行程後半に燃料を噴射し、気筒内を飛行中に噴射燃料を気化させて直接的に気筒内の一部に可燃混合気を形成し、この可燃混合気を点火プラグ２により着火燃焼させて、気筒内全体としては理論空燃比よりリーンな空燃比での燃焼を可能とする成層燃焼を実施する。圧縮行程前半から燃料噴射を開始して成層燃焼を実施することは可能であるが、成層燃焼では高い機関出力を発生させることは困難である。それにより、設定負荷以上の機関高負荷時には、燃料噴射弁１により吸気行程（好ましくは、吸気行程後半）に燃料を噴射して気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を点火プラグ２により着火燃焼させる均質燃焼を実施するようにしても良い。

均質燃焼に際して、ピストン３の頂面にキャビティ３ａを形成して、気筒内の排気弁側を下降して吸気弁側を上昇するタンブル流の減衰を抑制すれば、噴射燃料がタンブル流によって気筒内全体に分散し易くなり、均質混合気を形成するのに有利となる。

ところで、機関排気系には、排気ガスを浄化するための触媒装置が配置されているが、触媒装置の温度が触媒活性温度を下回る時には、良好に排気ガスを浄化することができない。それにより、機関始動時には排気ガス温度を高めて触媒装置を暖機することが好ましい。排気ガス温度を高めるためには、点火時期を遅角すれば良い。しかしながら、特に、冷却水温が設定温度以下であるような冷間始動時には、排気ガス温度をかなり高める必要があり、そのためには、点火時期を大幅に遅角して、例えば、膨張行程後半とする必要がある。

前述の均質燃焼では、このような大幅遅角された点火時期で混合気を着火燃焼させることは難しい。それにより、この時には、燃料噴射弁１により膨張行程後半の点火時期の直前に燃料を噴射して着火性に優れた成層燃焼が実施される。この成層燃焼では、気筒内全体としての空燃比はリーン空燃比又は理論空燃比とされる。

いずれの成層燃焼においても、点火時期では、気筒内の一部に形成した可燃混合気内に点火プラグ２の点火ギャップを位置させなければならない。そのためには、燃料噴射弁１からの噴射燃料の一部が点火プラグ２の点火ギャップへ向かうようにされる。ところで、点火プラグ２は、プレイグニッションを抑制するために、気筒内へ大きく突出させることは困難である。それにより、点火プラグ２の点火ギャップへ向かう噴射燃料の一部は、ほぼ気筒上壁に沿って飛行することとなり、他の方向に比較してシリンダボアまでの飛行距離が短くなるために、この噴射燃料の貫徹力が強くされていると、点火プラグ２の点火ギャップを通過した後にシリンダボアへ衝突し易くなる。

シリンダボアへ噴射燃料が衝突するとシリンダボアへ燃料が付着し、こうして付着した燃料は燃焼させることができずに未燃燃料として排出されるために、その分の機関出力が低下するだけでなく、排気エミッションを悪化させる。また、エンジンオイルを希釈させることもある。それにより、噴射燃料の広がり角度が大きくなるようにして噴射燃料の貫徹力を弱めれば、シリンダボアへの燃料の衝突を抑制することはできる。しかしながら、このような貫徹力の弱い噴射燃料により気筒内に可燃混合気を形成しても、可燃混合気内に乱れが存在せず、燃焼速度の遅い緩慢な成層燃焼しか実現することができない。

図３は、燃料噴射弁１の先端部の断面図である。燃料噴射弁１の内部空間２は蓄圧室（図示せず）等に連通して高圧燃料により満たされている。この内部空間２内には燃料噴射弁１の軸線方向に移動可能な弁体３が配置されている。弁体３は低リフト量Ｌ１と高リフト量Ｌ２とを切り換えて開弁させることができるようになっている。弁体３のシール角部３ａを内部空間２の切頭円錐形状のシート部２ａに当接させて閉弁させると、この当接位置より先端側において、内部空間２に連通して形成された噴孔４からの燃料噴射は停止される。本実施形態においては、四つの噴孔４が燃料噴射弁１の軸線回りに等角度間隔で形成されている。しかしながら、これは本発明を限定するものではなく、噴孔数は５、６、又は、８等のように任意に設定可能である。

内部空間２のシート部２ａには、上流側から各噴孔４の周囲に連通する切欠き４ａが形成されている。弁体３を低リフト量Ｌ１で開弁させると、図３に示すように、燃料は弁体３とシート部２ａとの間の僅かな隙間を通って切欠き４ａへ流入し易くなる。切欠き４ａを通り噴孔４へ流入する燃料は、一点鎖線の矢印で示すように、噴孔４を旋回しながら通過し、噴射燃料には旋回速度成分が付与される。それにより、噴射燃料は、広がり角度の大きな円錐形状となって貫徹力が弱くなる。

一方、弁体３を高リフト量Ｌ２で開弁させると、弁体３とシート部２ａとは比較的大きく離間するために、燃料は、通過抵抗が大きい切欠き４ａを殆ど通過せずに、直接的に噴孔４内へ流入する。それにより、噴射燃料には旋回速度成分は付与されず、噴射燃料は、広がり角度の小さな円錐形状となって貫徹力が強くなる。

本実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関は、このような燃料噴射弁１を使用して、成層燃焼時の燃料噴射に際して、図４に示すタイムチャートのように弁体３を開弁させる。すなわち、時刻ｔ０において弁体３を低リフト量Ｌ１で開弁し、時刻ｔ１において弁体３のリフト量を高リフト量Ｌ２へ切り換え、時刻ｔ２において弁体３を閉弁する。それにより、時刻ｔ０からｔ２の開弁期間において、先ずは、広がり角度が大きく貫徹力の弱い円錐形状の燃料が噴射される。燃料噴射弁１の一つの噴孔４の中心軸線は、点火プラグ２の下方に向けられており、この噴孔４から噴射された広がり角度の大きな円錐形状の上部の燃料は、点火プラグ２の点火ギャップへ向かうようにされる。

こうして、点火プラグ２の点火ギャップへ向かう燃料の貫徹力は弱いために、点火ギャップを通過してシリンダボアへ衝突し難くなっている。図１及び２にドットで示すように、各噴孔４から同時に噴射された広がり角度の大きな円錐形状の燃料は互いに繋がり、燃料噴射弁１回りの一塊の可燃混合気となる。燃料噴射弁１は、次いで、各噴孔４から広がり角度が小さく貫徹力の強い円錐形状の燃料を噴射する。この噴射燃料は、点火プラグ１の点火ギャップへ向かうように気筒上壁に沿って飛行しないために、シリンダボアまでの飛行距離は比較的長くなり、貫徹力が強くてもシリンダボアへ衝突し難い。

この各噴射燃料は、図１及び２に一点鎖線の斜線で示すように、燃料噴射弁１回りの一塊の可燃混合気を貫通して進行し、シリンダボアへ衝突する以前に貫徹力が失われて可燃混合気となるが、その際に、自身飛行経路内において吸気との衝突により乱れを発生させる。

広がり角度が小さく貫徹力の強い噴射燃料により形成された各可燃混合気は、燃料噴射弁１回りの一塊の可燃混合気を介して、互いに繋がっており、こうして、全ての噴射燃料によって気筒内の一部には一塊の可燃混合気が形成され、この可燃混合気内には点火プラグ２の点火ギャップは位置している。それにより、点火時期において点火プラグ２により可燃混合気を確実に着火させることができる。また、一塊の可燃混合気において、貫徹力の強い燃料により形成された可燃混合気部分には乱れが発生しているために、燃焼速度の速い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、広がり角度の大きい噴射燃料を先に噴射するようにしたが、弁体３を先ずは高リフト量で開弁させて、燃料噴射中にリフト量を低リフト量に切り換えるようにし、広がり角度の小さな噴射燃料を先に噴射するようにしても良い。

本実施形態の燃料噴射弁は、複数の噴孔を有するものとしたが、単一の噴孔しか有さないものでも良い。また、噴射燃料は、円錐形状に限定されず、先広がりであれば良く、例えば、スリット状噴孔から噴射される平らな扇形状であっても良い。

燃料噴射中のリフト量の切り換え時刻ｔ１は、例えば、高リフト量での燃料噴射量と、低リフト量での燃料噴射量とがほぼ等しくなるように設定される。また、低リフト量での燃料噴射量を一定とし、要求量の残りを高リフト量での燃料噴射量とするように、リフト量の切り換え時刻ｔ１を設定するようにしても良い。

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シリンダヘッドの底面図である。 図１の筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。 燃料噴射弁先端の断面図である。 弁体のリフトパターンを示すタイムチャートである。

符号の説明

１ 燃料噴射弁
２ 点火プラグ
３ ピストン

Claims (3)

1. 点火プラグ及び燃料噴射弁を気筒上部中心近傍に配置して、噴射燃料の一部が前記点火プラグの点火ギャップへ向かうように前記燃料噴射弁により燃料を噴射し、点火時期において気筒内の一部に形成された一塊の可燃混合気内に前記点火プラグの点火ギャップが位置するようにして前記可燃混合気を着火燃焼させることにより成層燃焼を実施する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、噴射燃料の広がり角度を少なくとも大小二段階に切り換え可能であり、成層燃焼に際して、燃料噴射中に噴射燃料の広がり角度を切り換え、広がり角度が大きく貫徹力の弱い噴射燃料の一部が前記点火プラグの点火ギャップへ向かうようにされ、広がり角度が小さく貫徹力の強い噴射燃料は前記点火プラグの点火ギャップへ向かわないようにされることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
2. 前記燃料噴射弁は、成層燃焼に際して、圧縮行程から膨張行程の間において燃料を噴射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。
3. 前記燃料噴射弁は、弁体を高リフト量及び低リフト量の二段階に制御可能であり、前記弁体を前記低リフト量として開弁すると、燃料は噴孔内を旋回しながら通過して噴射され、噴射燃料は広がり角度が大きく貫徹力が弱くされ、前記弁体を前記高リフト量として開弁すると、燃料は噴孔内を旋回せずに通過して噴射され、噴射燃料は広がり角度が小さく貫徹力が強くさ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。

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