JP2006037794A - 筒内直接噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料液滴がピストン３に付着することによるＨＣやスモークの悪化を防止する。
【解決手段】内燃機関の冷却水温が８０℃を越えた暖機完了状態では、通常の成層燃焼運転および均質燃焼運転を行う。冷却水温が８０℃以下の冷機状態では、触媒コンバータの活性化促進とＨＣ排出量低減のために、上死点噴射運転とする。上死点噴射運転では、噴射開始時期が圧縮上死点前、噴射終了時期が圧縮上死点後となり、圧縮上死点を跨いで燃料噴射が行われる。点火時期は、噴射開始時期から１５°〜２０°ＣＡ遅れた圧縮上死点後となる。圧縮上死点では、ピストン３が燃料噴射弁１５に接近しており、燃料噴霧Ｆは、その速度が殆ど減衰せずに高エネルギー状態のまま底面１６ａに斜め方向から衝突するので、底面１６ａで弾かれて点火プラグ１０側へ反射する。底面１６ａに付着する液滴量が非常に少なくなり、ＨＣやスモークが低減する。
【選択図】図８

Description

この発明は、筒内に燃料を直接に噴射する筒内直接噴射式火花点火内燃機関に関し、特に、その噴射時期および点火時期の制御に関する。

特許文献１には、排気浄化用の触媒コンバータが活性温度よりも低い未暖機状態にあるときに、圧縮行程中に燃料噴射を行い、かつ、点火時期を圧縮上死点よりも遅角させる技術が開示されている。
特開２００１−３３６４６７号公報

内燃機関冷機時の触媒の早期活性化を図るべく排気ガス温度を昇温させるとともにＨＣを低減するためには、点火時期をなるべく大きく遅角させることが望ましいが、点火時期を大幅に遅角すると、燃焼安定度が悪化するため、燃焼安定度の観点から定まるある限界よりも遅角することはできない。上記従来の技術では、特に冷機時のような条件下において、安定した燃焼の確保が難しく、燃焼安定度から定まる点火時期の遅角限界が比較的進み側にあり、十分な点火時期の遅角を実現することができない。

また上記従来技術では、機関冷機時に、ピストンがストロークの半ばにある中途半端な圧縮行程中に燃料噴射を行うので、燃料噴霧が液滴のままピストン頂部に付着しやすくなり、ＨＣやスモークの原因となる。

この発明は、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁が燃焼室の側部に配置され、ピストン頂部へ向かって斜め下方へ燃料を噴射するように構成されているとともに、略中央部に点火プラグを備えてなる筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、所定の運転状態のときに、燃料噴射を、噴射開始時期が圧縮上死点前で噴射終了時期が圧縮上死点後となるように圧縮上死点を跨ぐ期間に行い、かつ、上記噴射開始時期から遅れた圧縮上死点後に点火を行うとともに、この圧縮上死点付近で噴射された燃料噴霧が、ピストン頂部の面で反射するように、その噴霧方向が設定されていることを特徴としている。

望ましくは、上記の燃料噴霧が、ピストン頂部の面に、１０°〜５０°の角度でもって衝突する。より小さい角度で面に衝突すれば、燃料液滴が面に付着することなく反射する。

例えば、上記ピストン頂部に、緩く湾曲した底面を有する凹部が設けられており、この凹部の底面に燃料噴霧が衝突して反射するようになっている。

また本発明では、上記のように圧縮上死点を跨ぐ期間に燃料噴射を行うときに、燃圧を高く補正するようにしてもよい。これにより、燃料液滴はピストン頂部の面により強く衝突し、より確実に反射する。

また本発明では、圧縮上死点付近で噴射された燃料噴霧が衝突するピストン頂部の面に、撥油性を有するコーティングを施すようにしてもよい。これにより、燃料液滴の付着がより少なくなる。コーティング材料としては、例えばポリ四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）等が用いられる。

図１は、本発明の燃料噴射期間および点火時期を筒内圧変化とともに例示したものであり、噴射開始時期ＩＴＳが圧縮上死点（ＴＤＣ）前、噴射終了時期ＩＴＥが圧縮上死点（ＴＤＣ）後となる。その間の噴射期間Ｔの長さは、噴射量に相当する。点火時期ＡＤＶは、圧縮上死点（ＴＤＣ）後であり、噴射開始時期ＩＴＳから所定クランク角（例えば１５°ＣＡ〜２０°ＣＡ）遅れた時期となる。この遅れ期間Ｄは、一般に、燃料噴射弁から点火プラグまでの距離に相関する。

図２は、内燃機関の１サイクル中のピストンストロークによるピストン位置変化量と燃焼室の体積変化量とを示したものである。図示するように、単位クランク角当たりの変化量は、ストロークの中間位置付近で最も大きく、下死点（ＢＤＣ）付近ならびに上死点（ＴＤＣ）付近では、非常に小さい。従って、本発明で燃料噴射を行う圧縮上死点付近は、ピストン位置変化や体積変化が非常に小さく、ピストンの動き等に影響されない安定した場が形成され得る。

また、筒内には、吸気行程において、スワール流やタンブル流といった比較的大きな流れのガス流動が発生し、圧縮行程においても残存しているが、このようなスワール流やタンブル流といった大きな流れは、ピストンが圧縮上死点付近に達して燃焼室が狭小なものとなると、急激に崩壊する。図３は、種々の機関回転数の下での燃焼室内の大きな流れの流速変化を示したものであり、図示するように、回転数に応じた強さのスワール流ないしタンブル流が発生するが、圧縮上死点（３６０°ＣＡ）に達する前に、急激に崩壊する。従って、本発明において圧縮上死点付近で噴射された燃料噴霧は、スワール流やタンブル流のような大きな流れにより動かされることがなく、点火プラグに対し、常に安定した形で噴霧を形成することが可能である。

一方、上記のスワール流やタンブル流といった比較的大きな流れのエネルギは、その流れの崩壊に伴って、微小な乱れへと遷移する。従って、燃焼室内の微小な乱れは、圧縮上死点の直前に、急激に増大する。図４は、図３に示した流れの崩壊に伴って生じる微小な乱れの強さを、流速に換算していわゆる乱れ流速として示したものであり、図示するように、圧縮上死点直前に、乱れが大きく増加する。このような微小な乱れは、燃焼場の活性化に寄与し、燃焼改善作用が得られる。

つまり、燃料が噴射される圧縮上死点付近での燃焼室内の場は、噴霧を動かしてしまうような大きな流れが存在せず、かつ燃焼を活発化させる微小な乱れが多く存在し、しかも、ピストンの動きに対し非常に安定した場となる。従って、圧縮上死点よりも遅角した点火時期でもって、安定した燃焼が可能であり、燃焼安定度の上で制限される点火時期の遅角限界が、より遅角側となる。そのため、点火時期の大幅な遅角により、排気ガス温度を大幅に昇温させることができ、かつＨＣ排出量が低減する。

また、上記のように燃料が噴射される圧縮上死点付近では、ピストンは上死点に近く、燃料噴射弁に接近している。従って、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧は、その速度が殆ど減衰せずに高エネルギー状態のままピストン頂部の面に斜め方向から衝突し、ここで弾かれて反射する。つまり、燃料噴霧の速度が大きなことから、付着する液滴量は少なく、大部分が反射する。そのため、燃料液滴の付着によるＨＣやスモークの悪化が抑制される。

この発明によれば、圧縮上死点を跨ぐように燃料噴射期間を設定し、上死点付近にあるピストンの面に燃料噴霧を斜めに強く衝突させることにより、ピストン頂部への燃料液滴の付着を抑制でき、これに起因したＨＣやスモークを低減することができる。同時に、点火時期を圧縮上死点よりも大幅に遅角させた状態で安定した燃焼を得ることができ、例えば内燃機関の冷機時に、燃料液滴の付着抑制と相俟ってＨＣ排出量を大幅に低減できるとともに、排気ガス温度を昇温させて触媒の早期活性化を図ることができる。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図５〜図７は、この発明が適用される筒内直接噴射式火花点火内燃機関の一実施例を示しており、特に、図５，図６は、一つの気筒の構成を示し、図７は機関全体のシステム構成を示している。

図５，図６に示すように、シリンダブロック１に形成されたシリンダ２にピストン３が摺動可能に配置されているとともに、シリンダブロック１上面に固定されたシリンダヘッド４と上記ピストン３との間に、燃焼室５が形成されている。上記シリンダヘッド４には、吸気弁６によって開閉される吸気ポート７と、排気弁８によって開閉される排気ポート９と、が形成されている。１つの気筒に対し、一対の吸気弁６と一対の排気弁８とが設けられており、これらの４つの弁に囲まれた燃焼室５天井面中心部に、点火プラグ１０が配置されている。また、この実施例では、運転状態によってタンブル流を強化することができるように、吸気ポート７内に、該吸気ポート７内を上下２つの流路に区画する隔壁１１が設けられているとともに、その下側の流路を上流端で開閉するタンブル制御弁１２が設けられている。当業者には容易に理解できるように、タンブル制御弁１２によって下側の流路を閉塞した状態ではタンブル流が強化され、タンブル制御弁１２を開いた状態ではタンブル流が弱まる。なお、このタンブル制御弁１２は本発明において必ずしも必須のものではなく、また、これに代えて、公知のスワール制御弁を設けるようにしてもよい。

上記シリンダヘッド４の吸気ポート７の下側、より詳しくは一対の吸気ポート７の中間部の位置には、筒内へ燃料を直接噴射する燃料噴射弁１５が配置されている。つまり、この燃料噴射弁１５は、燃焼室５の吸気弁６側の側部に位置し、平面図上において図示せぬピストンピンと直交する方向に沿って燃料を噴射するように配置されているとともに、図５の断面図上において、斜め下方を指向して配置されているが、下方への傾斜角は比較的小さく、つまり水平に近い方向へ燃料を噴射する。

一方、ピストン３の頂部は、ペントルーフ型をなす燃焼室５天井面の凹部に入り込むように凸部形状をなしているとともに、その中央部に、平面図上において略矩形をなす凹部１６が形成されている。この凹部１６の底面１６ａは、タンブル流に沿うように、比較的大きな曲率半径の緩い円弧面ないしは円弧に近似した湾曲面をなしている。つまり、上記底面１６ａは、燃料噴射弁１５の噴霧中心線を含むピストンピンに直交する断面では、図５のように緩く湾曲した曲線となり、ピストンピン軸方向の断面では、一定深さの直線状となる。また、平面図上では、略矩形をなす凹部１６の一方の側に燃料噴射弁１５が臨み、他方の側の上方に点火プラグ１０が位置している。

図７に示すように、この実施例の内燃機関は、例えば直列４気筒機関であり、各気筒の排気ポート９が接続された排気通路２１に、排気浄化用の触媒コンバータ２２が設けられており、その上流側に、酸素センサ等の空燃比センサ２３が配置されている。また、各気筒の吸気ポート７が接続された吸気通路２４は、その入口側に、制御信号により開閉される電子制御スロットル弁２５を備えている。上記排気通路２１と上記吸気通路２４との間には、排気還流通路２６が設けられており、その途中に、排気還流制御弁２７が介装されている。また、各気筒のタンブル制御弁１２は、ソレノイドバルブ２８を介して導入される吸入負圧により動作する負圧式タンブル制御アクチュエータ２９によって、一斉に開閉される構成となっている。

また、上記燃料噴射弁１５には、燃料ポンプ３１およびプレッシャレギュレータ３２によって所定圧力に調圧された燃料が、燃料ギャラリ３３を介して供給されている。従って、各気筒の燃料噴射弁１５が制御パルスにより開弁することで、その開弁期間に応じた量の燃料が噴射される。また、各気筒の点火プラグ１０は、イグニッションコイル３４に接続されている。

上記内燃機関の燃料噴射時期や噴射量、点火時期等は、コントロールユニット３５によって制御される。このコントロールユニット３５には、アクセルペダル踏み込み量を検出するアクセル開度センサ３０の検出信号や、クランク角センサ３６の検出信号、空燃比センサ２３の検出信号、冷却水温を検出する水温センサ３７の検出信号、等が入力されている。

上記のように構成された内燃機関においては、暖機が完了した後の状態、例えば冷却水温が８０℃を越えているときには、通常の成層燃焼運転および均質燃焼運転が行われる。すなわち、低速低負荷側の所定の領域では、通常の成層燃焼運転として、基本的にタンブル制御弁１２を閉じた状態の下で、圧縮行程の適宜な時期に燃料噴射が行われ、かつ圧縮上死点前の時期に点火が行われる。なお、この運転モードでは、圧縮上死点前に必ず燃料噴射が終了する。圧縮行程中にピストン３へ向けて噴射された燃料は、凹部１６に沿って旋回するタンブル流を利用して点火プラグ１０近傍へ集められ、ここで点火される。そのため、平均的な空燃比がリーンとなった成層燃焼が実現される。また、高速高負荷側の所定の領域では、通常の均質燃焼運転として、基本的にタンブル制御弁１２を開いた状態の下で、吸気行程中に燃料噴射が行われ、かつ圧縮上死点前のＭＢＴ点において点火が行われる。この場合は、燃料は筒内で均質な混合気となり、基本的に理論空燃比近傍で運転が行われる。

これに対し、内燃機関の冷却水温が８０℃以下のとき、つまり暖機が完了していない状態では、触媒コンバータ２２の活性化つまり温度上昇の促進とＨＣ排出量低減のために、上死点噴射運転とする。この上死点噴射運転では、前述した図１に示したように、噴射開始時期ＩＴＳが圧縮上死点（ＴＤＣ）前、噴射終了時期ＩＴＥが圧縮上死点（ＴＤＣ）後となり、圧縮上死点を跨いで燃料噴射が行われる。点火時期ＡＤＶは、圧縮上死点（ＴＤＣ）後となり、噴射開始時期ＩＴＳから１５°ＣＡ〜２０°ＣＡ遅れた時期に点火される。この遅れ期間の間に、燃料噴霧がちょうど点火プラグ１０付近に到達し、点火プラグ１０付近に可燃混合気を形成するので、確実に着火燃焼に至り、成層燃焼が行われる。このとき、燃料噴射量は、平均的な空燃比が理論空燃比となるように制御される。

本実施例では、上記の燃料噴射時期は、噴射開始時期ＩＴＳが所定のクランク角となるように制御され、噴射終了時期ＩＴＥは、この噴射開始時期ＩＴＳと燃料噴射量（噴射時間）とによって定まる。なお、燃料噴射期間における圧縮上死点前の期間と圧縮上死点後の期間とが等しくなるように、燃料噴射量に基づき、噴射開始時期ＩＴＳと噴射終了時期ＩＴＥとを求めるようにすることも可能である。

図８は、上記の圧縮上死点付近で燃料噴射弁１５から燃料が噴射されたときのピストン３と燃料噴霧Ｆとの位置関係を示している。図示するように、ピストン３は上死点付近にまで上昇しており、燃料噴射弁１５の噴孔に最接近した状態となる。このとき、燃料噴射弁１５の噴孔は、ピストン３頂部の凹部１６底面１６ａに向かっており、燃料噴射弁１５から噴射された燃料噴霧Ｆは、その速度が殆ど減衰せずに高エネルギー状態のまま上記底面１６ａに斜め方向から衝突する。従って、直進性が高い比較的大きな燃料液滴は、底面１６ａで弾かれて点火プラグ１０側へ反射し、底面１６ａに付着する液滴量は非常に少なくなる。つまり、ピストン３との距離が短くなることで燃料噴霧Ｆの速度が大きくなり、表面に付着せずに弾かれやすくなる。しかも、ピストン３が上昇位置にあることから、略円弧形に湾曲した凹部１６の中で、比較的吸気弁６寄りの位置に燃料噴霧Ｆが衝突することになり、底面１６ａに対する噴霧Ｆの傾斜角度がより小さくなる。従って、圧縮行程の途中で噴射する場合よりも、むしろ付着する液滴量が少なくなり、燃料液滴の付着によるＨＣやスモークの悪化が抑制される。ここで、上記燃料噴霧Ｆが底面１６ａに衝突する箇所での噴霧Ｆの底面１６ａに対する傾斜角度θ（図９参照）は、１０°〜５０°の範囲内であることが望ましい。なお、上記プレッシャレギュレータ３２によって調圧される燃圧を、上記の上死点噴射運転の間、通常の成層燃焼運転や均質燃焼運転のときよりも相対的に高く与えるようにすれば、ピストン３に付着する燃料の割合がより少なくなる。

このように、内燃機関の暖機が完了していない冷機時に圧縮上死点を跨いで燃料噴射を行うことで、冷機時に問題となるピストン３への燃料液滴の付着が抑制され、燃料液滴の付着に起因したＨＣやスモークの悪化が回避される。また、同時に、大きなガス流動が崩壊して非常に安定した状態となっている場に燃料が噴射されるため、点火時期の大幅な遅角と燃焼安定度の確保とを両立させることが可能となり、排気ガス温度の十分な昇温とＨＣ排出量のさらなる低減とを達成できる。

次に、図１０は、上死点付近で噴射された燃料噴霧が衝突する凹部１６の底面１６ａに、撥油性を有するコーティング４１を施した実施例を示している。コーティング材料としては、例えば、ポリ四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系材料を用いることができる。なお、底面１６ａ全域にコーティング４１を施してもよいが、図示するように、上死点付近で噴射された燃料噴霧が衝突する吸気弁６寄りの範囲のみにコーティングすることも可能である。このように撥油性のコーティング４１を施すことで、衝突した燃料液滴の付着はより少なくなる。

本発明の燃料噴射期間および点火時期の一例を示した特性図。 サイクル中のピストン位置変化量と体積変化量の特性図。 大きな流れのサイクル中の変化を示す特性図。 微小な乱れのサイクル中の変化を示す特性図。 筒内直接噴射式火花点火内燃機関の一実施例を示す断面図。 同じく平面図。 この内燃機関全体のシステム構成を示す構成説明図。 圧縮上死点付近で噴射された燃料噴霧とピストンとの関係を示す説明図。 噴霧の傾斜角度θの説明図。 凹部の底面にコーティングを施した実施例を示すピストンの平面図。

符号の説明

３…ピストン
５…燃焼室
１０…点火プラグ
１６…凹部
１６ａ…底面
１５…燃料噴射弁
４１…コーティング

Claims (5)

1. 筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁が燃焼室の側部に配置され、ピストン頂部へ向かって斜め下方へ燃料を噴射するように構成されているとともに、略中央部に点火プラグを備えてなる筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、所定の運転状態のときに、燃料噴射を、噴射開始時期が圧縮上死点前で噴射終了時期が圧縮上死点後となるように圧縮上死点を跨ぐ期間に行い、かつ、上記噴射開始時期から遅れた圧縮上死点後に点火を行うとともに、この圧縮上死点付近で噴射された燃料噴霧が、ピストン頂部の面で反射するように、その噴霧方向が設定されていることを特徴とする筒内直接噴射式火花点火内燃機関。
2. 上記ピストン頂部に、緩く湾曲した底面を有する凹部が設けられており、この凹部の底面に燃料噴霧が衝突して反射することを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関。
3. 上記のように圧縮上死点を跨ぐ期間に燃料噴射を行うときに、燃圧を高く補正することを特徴とする請求項１または２に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関。
4. 圧縮上死点付近で噴射された燃料噴霧が衝突するピストン頂部の面に、撥油性を有するコーティングを施したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関。
5. 上記の燃料噴霧が、ピストン頂部の面に、１０°〜５０°の角度でもって衝突することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関。
   

Images