JP2004218646A - Direct injection type internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関(エンジンと称す)に関し、特にシリンダ内への空気の供給を制御する技術に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine (referred to as an engine), and more particularly to a technique for controlling air supply into a cylinder.
従来の例えば筒内噴射エンジンは気筒(シリンダ)内に直接燃料を噴射すると共に、点火プラグ付近に燃料の濃い混合気を集めて燃焼させ、全体的には希薄空燃比燃焼とする成層燃焼が可能である。 Conventional cylinder-injection engines, for example, directly inject fuel into a cylinder (cylinder) and collect and burn a rich mixture of fuel near the spark plug, thus enabling stratified combustion with lean air-fuel ratio combustion as a whole. It is.
しかし、エンジンの始動時は、気筒内の空気の流動が少ないため、成層運転ができず、従来のエンジンのように気筒内に均一な混合気を形成して燃焼させる均質燃焼が用いられている。 However, when the engine is started, stratified operation cannot be performed because the flow of air in the cylinder is small, and homogeneous combustion that forms a uniform air-fuel mixture in the cylinder and burns the same as in a conventional engine is used. .
均質燃焼の場合は、気筒内全体に燃料を供給するため、始動時といった比較的エンジンが冷たい場合は、未燃燃料の排出が多く、排気対策上問題がある。 In the case of homogeneous combustion, since fuel is supplied to the entire cylinder, when the engine is relatively cold, such as at the time of starting, a large amount of unburned fuel is discharged, which poses a problem in terms of exhaust measures.
本発明は、空気流動が少ない始動時において、空気の流動を高める手段を付加することにより、始動時より成層燃焼運転を可能にし、未燃燃料の排出を最小にしたものである。 According to the present invention, a stratified charge combustion operation is made possible at the time of start-up by adding means for increasing the flow of air at the time of start-up with little air flow, and the emission of unburned fuel is minimized.
本発明により、エンジンの始動(最初の燃焼気筒から)から安定した成層燃焼が可能になる。成層燃焼により、排気には余剰な酸素が多く残存し、この酸素により、排気の昇温のための再度の燃料供給が可能になる。 According to the present invention, stable stratified combustion can be performed from the start of the engine (from the first combustion cylinder). Due to stratified combustion, a large amount of excess oxygen remains in the exhaust gas, and this oxygen makes it possible to supply fuel again for raising the temperature of the exhaust gas.
図1に本発明の実施例の構成図を示す。シリンダ1にはピストン2,噴射弁3,点火プラグ4がある。吸気ポート5には吸気弁7が、排気ポート6には、排気弁8がある。吸気ポート5にはロータリー弁11がある。吸気ポート5のロータリー弁11の下流は隔壁
10により上下2段に分割されている。ロータリー弁11は吸気ポート5の上下の通路を塞ぐように締め切り部12がある。図1はエンジンの始動時において、吸気行程の後半の状態を示している。吸気弁7は開し、ピストン2は降下中でシリンダ1に空気が流入している。ロータリー弁11が全閉であるため、空気はロータリー弁11をバイパスして配置された通路9より噴流14としてシリンダ1に流入しシリンダ1内にタンブル流15を形成する。通路9は始動時の回転数150〜200rpm でシリンダ1の吸気行程の圧力が
−100mmHg(88kPa )程度になるような通路径であることが望ましい。
FIG. 1 shows a configuration diagram of an embodiment of the present invention. The
図2は図1のクランク角で200度後の圧縮行程後半の状態を示す。吸気弁7は閉され、ピストン2も上昇中である。タンブル流15もやや偏平になっている。ここで噴射弁3より燃料が噴射され噴霧16が形成される。噴霧16はタンブル流15に前進を阻まれると共に、上部に持ち上げられ、点火プラグ4の付近に点火可能な混合気を形成し、全体では希薄な成層混合気(A/F=25〜30)となる。
FIG. 2 shows a state in the latter half of the compression stroke after 200 degrees at the crank angle of FIG. The
図3は図1を上面より見た図である。吸気ポート5は2本(5a,5b)あるいわゆる吸気2弁式のエンジンである。そのため吸気弁7(7a,7b)、隔壁10(10a,
10b)、通路9(9a,9b)は2個ずつあり、タンブル流15も15a,15bの2個生成される。通路9は、図2に示すように吸気弁7の点火プラグ4側に開口されているが、図3に示すように水平方向はシリンダの中心よりに設置することが望ましい。こうすることによりタンブル流15は相互に強め合いより強いタンブル流を作ることができる。
FIG. 3 is a view of FIG. 1 as viewed from above. The
10b), there are two passages 9 (9a, 9b), and two
図4はエンジンの部分負荷状態を示したものである。アイドルと部分負荷は燃費が重視されるため、成層運転がされる。この状態では通路9よりの空気だけでは少ないためロータリー弁11を破線矢印のように回転し、吸気ポート5の上部通路17を空気が流れるように開口部18を上部通路17に合せる。空気は矢印19,20のように流れてシリンダ1に流入し、タンブル流15を生成する。このタンブル流により成層運転が可能となる。
FIG. 4 shows a partial load state of the engine. Since idling and partial load emphasize fuel efficiency, stratified operation is performed. In this state, since only the air from the
図5はエンジンの全負荷運転状態を示したものである。ロータリー弁11は図4より回転し、開口部18が吸気ポート5の全通路に開口している。吸入空気21a,21bは、吸気ポート5の全通路よりシリンダ1に流入する。このためタンブル流は弱くなりシリンダ内の部分的な流動となる。このような状態において、燃料の噴射時期を吸気行程にすることによりシリンダ1内を均質な混合気とすることができる。また、吸気ポート5の全面積を使用するので吸入抵抗が少なくなり、エンジン出力が大きくなる。
FIG. 5 shows the full load operation state of the engine. The
図6は図1のロータリー弁11に変えて蝶弁式の半円弁22,25を使用した場合の実施例である。半円弁22は吸気ポート5の下側通路を、半円弁25は上側通路を開,閉する。弁を開く順序は半円弁25が部分負荷時に開くためはじめに開き、半円弁22は全負荷近くで開くため次に開く。
FIG. 6 shows an embodiment in which
図7は本発明の他の実施例である。図7のタイミングも図1と同様に吸気行程の後半である。吸気ポート5には下半分が閉できる蝶弁式の半円弁22がある。隔壁はバイメタル型隔壁23が設置されている。バイメタル型隔壁23は、始動時のように温度が比較的小さい時は先端が吸気ポート5の上部通路17を狭くするように移動し吸入空気24の流速を高め、始動時の小吸入空気量でも、タンブル流15を生成することができる。この実施例では通常の弁駆動法としたが、吸気弁の開閉時期が変更できるいわゆる可変バルブ機構を付加すれば、吸気弁を遅く(ピストンが下がり始めてから)開くことにより、吸気弁開弁時のシリンダ1の圧力が低くなり、シリンダに流入する空気の流速が高まり、タンブル流を強くすることができる。特にエンジン始動時は回転数が低く吸入空気量が少ないので弁の開く時期を遅くしても、エンジンの空気量が少なくなることはない。
FIG. 7 shows another embodiment of the present invention. The timing in FIG. 7 is also in the latter half of the intake stroke as in FIG. The
図8も本発明の他の実施例である。本実施例は吸気弁,排気弁をエンジンの回転角とはほぼ無関係に開,閉できる電磁力で駆動するEMV機構28,29を付加した装置とした。また、4気筒エンジンの隣り合った気筒(第1気筒と第2気筒,第3気筒と第4気筒)の吸気ポートを連通する通路27を付けたことが特徴である。図8も同様に吸気行程(第1気筒)の後半である。通路26より噴流14が噴出し、シリンダ1内にタンブル流15を生成している。ロータリー弁11は吸気ポート5を全閉している。
FIG. 8 shows another embodiment of the present invention. In this embodiment, an
図9は図8を上から見た図である。第1気筒のピストン2a,第2気筒のピストン2bがある。通路27は第1気筒と第2気筒の吸気ポートを連通している。図10に示すように第1気筒が吸気行程の時、第2気筒は圧縮行程にありピストン2bは上昇している。そのため、図11に示すように第2気筒の吸気弁7c,7d開くことにより、第2気筒で圧縮された空気が通路26c,26dから通路27を通って第1気筒の通路26a,26bより噴出し、シリンダ2a内にタンブル流15を生成する。
FIG. 9 is a view of FIG. 8 as viewed from above. There are a
図10は4気筒エンジンの行程順序を示したものである。吸気順序はNo.1−No.3−No.4−No.2である。ピストンの動きを見ると、第1気筒と第4気筒が第2気筒と第3気筒が同じタイミングで上下している。 FIG. 10 shows the stroke order of the four-cylinder engine. The intake sequence is No.1-No.3-No.4-No.2. Looking at the movement of the piston, the first cylinder and the fourth cylinder move up and down at the same timing in the second cylinder and the third cylinder.
図11は図9の吸気弁,排気弁,ロータリー弁の動作タイミングを示したものである。第1気筒の吸気タイミングより始動する場合である。第1気筒の吸気行程の後半に吸気弁が開く。これと同じタイミングで第2気筒の吸気弁が開き、図9に示すように第2気筒から第1気筒に空気が流れる。ここで第1気筒と第2気筒の吸気弁のタイミングを同じにしたが両者に差があっても同様の効果がある。ロータリー弁11は、第1気筒の吸気行程が終了すると中間開度(吸気ポートの上側通路を開く)まで開き、アイドル運転にはいる。本実施例では、始動する最初の気筒のみが、タンブル流の強化を行う。
FIG. 11 shows the operation timing of the intake valve, the exhaust valve, and the rotary valve of FIG. This is a case where the engine is started from the intake timing of the first cylinder. The intake valve opens in the second half of the intake stroke of the first cylinder. At the same timing, the intake valve of the second cylinder opens, and air flows from the second cylinder to the first cylinder as shown in FIG. Here, the timing of the intake valve of the first cylinder and the timing of the intake valve of the second cylinder are made the same, but the same effect is obtained even if there is a difference between the two. When the intake stroke of the first cylinder is completed, the
図12は第2気筒から始動する場合である。第2気筒が吸気行程の時、第1気筒は排気行程である。しかし第1気筒の排気弁は閉した状態にしておき、第2気筒の吸気行程後半に吸気弁を開く。こうすると図9に示した場合と逆に第1気筒から第2気筒に空気が流れ、第2気筒のシリンダ内にタンブル流を生成できる。第2気筒の次に吸気するのは第1気筒であるが、第2気筒は圧縮行程であり、第1気筒に空気を導入できない(導入すると第2気筒が燃焼できない)。そのためロータリー弁11を開き、吸気ポート5の上部通路より空気を吸入し、アイドル運転に入る。ここで第1気筒の吸気弁も吸気行程の後半に開くことによりタンブル流を強くできる。本実施例では第1気筒と第2気筒からの始動する場合を説明したが第3気筒,第4気筒の場合も同様である。
FIG. 12 shows a case where the engine is started from the second cylinder. When the second cylinder is in the intake stroke, the first cylinder is in the exhaust stroke. However, the exhaust valve of the first cylinder is kept closed, and the intake valve is opened in the latter half of the intake stroke of the second cylinder. In this way, air flows from the first cylinder to the second cylinder in reverse to the case shown in FIG. 9, and a tumble flow can be generated in the cylinder of the second cylinder. The first cylinder takes in the intake air next to the second cylinder, but the second cylinder is in the compression stroke, and air cannot be introduced into the first cylinder (if introduced, the second cylinder cannot burn). Therefore, the
図13に4気筒エンジンの吸気系の構成を示す。コレクタ30と各シリンダ1a,1b,1c,1dの間にロータリー弁11があり、第1気筒と第2気筒をつなぐ通路27a,第3気筒と第4気筒をつなぐ通路27bがある。このように吸気系を構成することにより、第1気筒から第4気筒までどの気筒からの始動にも対応できる。
FIG. 13 shows a configuration of an intake system of a four-cylinder engine. The
次に、図13の空気系の構成で特定気筒(第1気筒または第4気筒)より始動する場合の実施例を説明する。図14は第1気筒より始動する場合である。第1気筒が吸気行程の場合は、第2気筒が圧縮行程であり、通路27aを使って第2気筒の空気を第1気筒に流入させる。次に第3気筒が吸気行程になる。この時は第4気筒の排気行程を利用し、第4気筒の排気弁を閉め、吸気弁を開き通路27bを使って第4気筒の空気を第3気筒に流入させる。次の第4気筒からは通常のアイドル運転(コレクタ30より空気を導入)に移行する。そのため、ロータリー弁を中間開度まで開く。この時の吸気弁の開時期は吸気行程後半でも、吸気行程初めでも可能である。図14は第1気筒からの始動について示しているが、第4気筒からも始動可能である、この場合は第4気筒,第2気筒がタンブル流を強化した始動になり、第1気筒からは通常のアイドル運転に入る。このようにして、始動から二つの気筒はタンブル流を強化できる。
Next, an embodiment in the case of starting from a specific cylinder (first cylinder or fourth cylinder) with the configuration of the air system in FIG. 13 will be described. FIG. 14 shows a case where the engine is started from the first cylinder. When the first cylinder is in the intake stroke, the second cylinder is in the compression stroke, and the air in the second cylinder flows into the first cylinder using the
図15は図1の他の実施例である。吸気弁7は開閉時期が調整できるいわゆる可変バルブ機構31が付いている。可変バルブ機構31を遅く開くことにより、始動時もシリンダ1の圧力が低くなってから吸気弁を開くことにより、タンブル流が強くできる。また、吸気弁を遅く開くと実空気時間が短くなるため、通路9の径を大きくすることができる。
FIG. 15 shows another embodiment of FIG. The
発明の実施態様を以下列挙する。 Embodiments of the invention are listed below.
(実施態様1)
燃料をシリンダ内に直接噴射すると共に、シリンダ内に空気の縦渦(タンブル流)を形成してプラグ近傍に濃い混合気を集めて成層運転を行うものにおいて、シリンダに空気を供給する吸気通路を締め切る開閉弁と、当該開閉弁をバイパスする前記吸気通路断面積より小断面積の迂回通路とを設置け、当該迂回通路の空気の出口をシリンダ入口の吸気弁近くに開口した、筒内噴射型内燃機関。
(Embodiment 1)
In addition to directly injecting fuel into the cylinder, a vertical vortex (tumble flow) of air is formed in the cylinder to collect a rich mixture near the plug and perform stratified operation. An in-cylinder injection type in which an on-off valve to be closed and a bypass passage having a smaller cross-sectional area than the intake passage cross-sectional area that bypasses the on-off valve are installed, and an air outlet of the bypass passage is opened near an intake valve at a cylinder inlet. Internal combustion engine.
(実施態様2)
前記迂回通路の空気の出口部を前記吸気弁の点火プラグ側のシリンダ中央近くに開口したことを特徴とした実施態様1記載の筒内噴射型内燃機関。
(Embodiment 2)
An in-cylinder injection type internal combustion engine according to
(実施態様3)
前記開閉弁が3位置(全閉,中間開,全開)を有するロータリー弁であることを特徴とした実施態様1または2記載の筒内噴射型内燃機関。
(Embodiment 3)
3. The direct injection internal combustion engine according to
(実施態様4)
前記開閉弁が2個の半円弁の組み合わせである実施態様1または2記載の筒内噴射型内燃機関。
(Embodiment 4)
3. The direct injection internal combustion engine according to
(実施態様5)
燃料をシリンダ内に直接噴射する筒内噴射型内燃機関において、シリンダに空気を導入すべくシリンダ入口に設けられた吸気弁と、この吸気弁の開閉時期を制御する電磁ソレノイド機構と、シリンダ内に空気の縦渦(タンブル流)を形成して濃混合気をプラグ近傍に集める装着と更に前記吸気通路を締め切る開閉弁とこの開閉弁をバイパスする、前記吸気通路の断面積より小断面積の迂回通路を設置し、この迂回通路の空気の出口を前記吸気弁近くに開口した筒内噴射型内燃機関。
(Embodiment 5)
In an in-cylinder injection type internal combustion engine that injects fuel directly into a cylinder, an intake valve provided at the cylinder inlet to introduce air into the cylinder, an electromagnetic solenoid mechanism that controls the opening and closing timing of this intake valve, Installation for forming a vertical vortex (tumble flow) of air to collect a rich mixture in the vicinity of the plug, and an opening / closing valve for closing the intake passage and bypassing the opening / closing valve, with a bypass having a smaller sectional area than the sectional area of the intake passage An in-cylinder injection internal combustion engine in which a passage is provided and an air outlet of the bypass passage is opened near the intake valve.
1…シリンダ、2…ピストン、3…噴射弁、4…点火プラグ、5…吸気ポート、6…排気ポート、7…吸気弁、8…排気弁、9…通路、10…隔壁、11…ロータリー弁、12…締め切り部、13…バルブ駆動機構、14…噴流、15…タンブル流、16…噴霧、
17…上部通路、20,21…空気、22…半円弁、28…EMV機構、31…可変バルブ機構。
DESCRIPTION OF
17 ... upper passage, 20, 21 ... air, 22 ... semicircular valve, 28 ... EMV mechanism, 31 ... variable valve mechanism.
Claims (5)
When the engine is started, air is supplied into the cylinder from the first intake passage having a small cross-sectional area via the intake valve to cause a tumble flow into the cylinder. After the engine is warmed up, the cylinder is divided into upper and lower stages. An air supply method for an internal combustion engine in which air is supplied from a main intake passage into a cylinder via an intake valve, and in a stratified operation region, a lower passage of the main intake passage is closed to cause a tumble flow in the cylinder. .
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