JP2005220768A

JP2005220768A - 筒内直噴エンジンの燃焼方法

Info

Publication number: JP2005220768A
Application number: JP2004027226A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Fujieda; 藤枝　　護; Junichi Yamaguchi; 純一山口
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 2004-02-03
Filing date: 2004-02-03
Publication date: 2005-08-18

Abstract

【課題】安定した成層燃焼を行うことが可能な筒内直噴エンジンの燃焼方法を提供する。
【解決手段】燃料の噴射圧力を高めて燃料の微粒化を向上させた燃料噴射弁５を用いる。そして、その燃料噴射弁５の噴霧のぺネトレーションが高いことを利用して、燃料をピストン２に設けたキャビティ２１に向けて噴射し、燃料噴霧１７の貫通力でその燃料噴霧１７をキャビティ２１内で反射させ、混合気全体を点火プラグ６近くに輸送する。また、スワール流１６を発生させて燃料噴霧１７を閉じ込め拡散を防止する。キャビティ２１内には、キャビティ中央突起２６を設ける。ピストン外周２８をスワール流１６の流動通路とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内直噴エンジンの燃焼方法に関する。

従来のセンター噴射筒内直噴エンジンは、例えば下記特許文献１に開示されるような技術が知られている。それによると、燃料を燃焼室略中央からピストンに向けて噴射し、スワール流とピストン表面形状とにより、ピストン全体に分布した燃料を点火プラグ周りに集めるようにして成層燃焼を行っている。
特開平９−２８００５４号公報

ところで、上記従来技術にあっては、噴霧をピストン全面（頂面全体）、すなわち燃焼室の広い範囲に噴射するため、均質混合気を作る場合には良好であるが、燃料噴射圧の高い噴射弁（燃料の微粒化の良い噴射弁）で成層混合気を作る場合には不向きであった。すなわち、上記従来技術にあっては、ピストンに付着した燃料がスワール流とピストン頂面構造とでピストン中央に集められることから、ピストンに付着した燃料は成層化がなされるものの、燃料噴射時に気化した噴霧は、燃焼室全体に拡散して成層化されることはなく、成層の度合いが落ちてしまうという問題点を有していた。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされるもので、安定した成層燃焼を行うことが可能な筒内直噴エンジンの燃焼方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためなされた請求項１記載の本発明の筒内直噴エンジンの燃焼方法は、ピストン頂面の略中央に設けたキャビティに向けて、燃焼室の略中央に設置した燃料噴射弁から燃料を噴射し、前記燃料噴射弁の噴霧の貫通力で該噴霧を前記キャビティで反射させ、該反射させた噴霧を前記燃料噴射弁近傍に設置した点火プラグに輸送して成層燃焼を行うことを特徴としている。

上記課題を解決するためなされた請求項２記載の本発明の筒内直噴エンジンの燃焼方法は、ピストン頂面の略中央に設けたキャビティに向けて、燃焼室の略中央に設置した点火プラグ近傍の燃料噴射弁から燃料を噴射し、前記燃料噴射弁の噴霧の貫通力で該噴霧を前記キャビティで反射させ、該反射させた噴霧を前記点火プラグに輸送して成層燃焼を行うことを特徴としている。

請求項３記載の本発明の筒内直噴エンジンの燃焼方法は、請求項１又は請求項２に記載の筒内直噴エンジンの燃焼方法において、２つ有る吸気通路の一方を閉じ且つ他方から新気を導入して前記燃焼室内にスワール流を生成し、該スワール流で前記噴霧を前記燃焼室中心に閉じ込めることを特徴としている。

請求項４記載の本発明の筒内直噴エンジンの燃焼方法は、請求項１又は請求項２に記載の筒内直噴エンジンの燃焼方法において、２つ有る吸気通路の一方を閉じ且つ他方から新気を導入して前記燃焼室内にスワール流を生成するとともに、前記閉じた吸気通路の前記燃焼室側となる下流にエンジンの排気を導入してＥＧＲを行うことを特徴としている。

請求項５記載の本発明の筒内直噴エンジンの燃焼方法は、請求項１又は請求項２に記載の筒内直噴エンジンの燃焼方法において、前記キャビティの底部中央に突起を設けるとともに、該突起と前記噴霧の中心とを同軸とし、その上で前記噴霧の反射を行うことを特徴としている。

請求項６記載の本発明の筒内直噴エンジンの燃焼方法は、請求項１又は請求項２に記載の筒内直噴エンジンの燃焼方法において、前記キャビティの底部を平面にし、その上で前記噴霧の反射を行うことを特徴としている。

請求項７記載の本発明の筒内直噴エンジンの燃焼方法は、請求項３又は請求項４に記載の筒内直噴エンジンの燃焼方法において、前記キャビティの外側となる外縁部を前記ピストン頂面よりも高い位置に設けて前記スワール流の通路とすることを特徴としている。

請求項８記載の本発明の筒内直噴エンジンの燃焼方法は、請求項７に記載の筒内直噴エンジンの燃焼方法において、前記キャビティの底部を前記ピストン頂面と同じ高さにすることを特徴としている。

本発明によれば、燃料の噴射圧力を高めて燃料の微粒化を向上させた燃料噴射弁を用いる。そして、その燃料噴射弁の噴霧のぺネトレーションが高いことを利用して、燃料をピストンに設けたキャビティに向けて噴射し、噴霧の貫通力でその噴霧をキャビティ内で反射させ、混合気全体を点火プラグ近くに輸送する。また、スワール流を発生させて噴霧を閉じ込め拡散を防止する。本発明は成層度合いを高めた燃焼方法である。

本発明によれば、混合気の拡散を防止することができる。従って、負荷や回転数の広い範囲で成層燃焼を安定させることができるという効果を奏する。また、燃費を向上させることができるという効果を奏する。さらに、排気を浄化することができるという効果を奏する。

以下、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施の形態を示す基本構成図である。

図１において、シリンダ１には、ピストン２、吸気弁３ａ、排気弁４ａが設けられる。吸気は、ＡＦＭ（空気流量計）２０から絞り弁１９に入り、分岐部であるコレクタ１５より吸気通路１０ａ、吸気弁３ａを介してシリンダ１に供給される。燃料は、燃焼室８の略中央に設置された燃料噴射弁５より、シリンダ１の燃焼室８に供給される。また、燃料は、点火コイル７と燃料噴射弁５の近傍に設置された点火プラグ６とにより点火される。燃料噴射弁５は、燃料の噴射圧力を高めて燃料の微粒化を向上させたものが用いられる。

シリンダ１の排気は、排気弁４ａから排気通路１１ａを介し、排気管２４下流の排気触媒１２で浄化されて排出される。ＥＣＵ（エンジン制御装置）９には、エンジンのクランク角度信号θやエンジンの回転速度Ｎｅ、ＡＦＭ２０の空気量信号、排気の酸素濃度を検出する酸素センサ１３の信号等が入力される。また、ＥＣＵ９からは、燃料噴射信号や点火信号、ＥＧＲ弁１４へのＥＧＲ信号、スワールコントロール弁制御装置２５の制御信号等が出力される。

図１は、成層混合気運転の圧縮行程後半を示したものである。図１中において、ピストン２は上昇を続けているものとする。吸気弁３ａ、排気弁４ａは閉じており、吸気はピストン２により圧縮される。

このような状態で、燃料が燃料噴射弁５より噴射されると、燃焼室８内には、燃料噴霧１７が形成される。噴射された燃料、すなわち燃料噴霧１７は、ピストン２の略中央付近の頂面に形成された凹状のキャビティ２１に吹き込まれ、そこで方向の反転がなされる。そして、方向が反転した燃料噴霧１７は上昇し、点火プラグ６付近に混合気を形成した後に点火される。尚、上記方向の反転は、燃料噴霧１７の貫通力で行われる。キャビティ２１は、燃料噴霧１７を反射させることが可能な形状に形成される。上記構成及び形状により、混合気全体が点火プラグ６の近傍に輸送される。

図１及び図２において、シリンダ１には、吸気通路１０ａと吸気通路１０ｂとが設けられる。吸気通路１０ａには、図２に示されるようなスワールコントロール弁２３が設けられておらず、スワールコントロール弁シャフト２２が貫通する。スワールコントロール弁シャフト２２は、各吸気通路１０ａ、１０ｂを貫通する。一方、吸気通路１０ｂには、スワールコントロール弁２３が設けられ、吸気の流入が防止される。

吸気通路１０ａには、上述の如く、スワールコントロール弁２３がないことから、吸気は吸気弁３ａからのみ燃焼室８に流れ込む。そのため、燃焼室８内には、スワール流１６が生成される。そのスワール流１６は、吸気行程で生成されるが、横方向の空気流であるため、圧縮行程後半になっても消滅せず、噴射された燃料噴霧１７がキャビティ２１で反射されて点火プラグ６の方向に輸送される際に、燃焼室８内への拡散が防止される。

ピストン２の頂面であってキャビティ２１の外側には、平らなピストン外周２８が形成される。そのピストン外周２８は、スワール流１６の流動通路となり、スワール流１６の減衰が防止される。キャビティ２１の外縁には、環状の傾斜面となる外縁部３３が形成される。スワール流１６の中心軸は、外縁部３３により形成される。外縁部３３により、スワール流１６の減衰が防止される。

図２には、各二つあるうちの吸気通路１０ｂ、排気通路１１ｂが示される。また、吸気弁３ｂ、排気弁４ｂも示される。尚、燃料噴射弁５や点火プラグ６等は図１と同じものである。吸気通路１０ｂには、ＥＧＲ通路１８が形成される。また、上述のようにスワールコントロール弁２３が設けられる。図２において、スワールコントロール弁２３は閉じられている。

本発明に係るキャビティ２１は、噴射された燃料噴霧１７の方向を反転させるのが主な目的であり、燃料噴霧１７が外周に拡散するのはスワール流１６で防止される。従って、キャビティ２１の深さは、浅くても良いものとする。キャビティ２１の中心には、キャビティ中央突起２６が設けられる。そのキャビティ中央突起２６は、燃料噴霧１７を均等に反射させる役割を有する。キャビティ中央突起２６は、例えば図示のような略円錐形状に形成される。燃料噴霧１７の中心とキャビティ中央突起２６は、同一線上であることが望ましいものとする。

図３には運転領域のエンジン回転数と負荷の領域が示される。成層混合気領域は、比較的負荷とエンジン回転数が少ない領域である。均質混合気領域は、負荷が大きく、エンジン回転数が大きい領域である。

図４には本発明の他の実施例が示される。本図は図１、図２に対して角度を９０度替えて示される。そのため、ピストンピン２７が図中の横方向に示される。本例では、点火プラグ６が燃焼室８の略中央に配置される。すなわち、点火プラグ６の位置が燃焼室中心３０と合っている。そのため、燃料噴射弁５は、燃焼室中心３０よりずれている。しかし、燃料噴霧１７は、キャビティ２１の中心に向けて噴射されるため、燃料噴射弁５は傾斜して取付けられる。燃料噴霧１７は、傾斜した状態に噴射されるため、本例では、キャビティ中央突起２６を傾斜させて、燃料噴霧１７の方向に合わせて設けている。尚、キャビティ中央突起２６を傾斜させるのがコスト高となる場合には、垂直でもよいものとする。

図５には図４の構成でキャビティ中央突起２６をなくした例が示される。燃料噴霧１７は、キャビティ２１に対して傾斜して流入するため、キャビティ２１で反射した燃料噴霧１７は、点火プラグ６側に多くなり好都合となる。

図６には本発明の他の実施例が示される。本実施例では、キャビティ２１のキャビティ中心３１を図７に示される中心線ＢとＣとの交点に合わせたものである。図７の中心線Ａはピストン２の中心を示している。図６において、燃料噴霧１７の噴霧中心軸３２は、キャビティ２１の中心と底部で交叉するのが最適である。このように燃料噴霧１７が傾斜して噴射されると、燃料噴霧１７はほぼ全部点火プラグ６の方向に反射され、混合気の成層の面から有利になる。また、キャビティ２１の入射側の傾斜を緩やかにし、反射側を逆に急にすれば、燃料噴霧１７の拡散が防止され、点火プラグ６近傍での成層混合気の確保が有利になる。

図８にはキャビティ２１の底部３４がピストン外周２８と同程度の高さに形成された例が示される。このようにすると、キャビティ２１の外縁部３３を確保した状態でキャビティ２１の深さを浅くすることが可能になる。尚、キャビティ２１は、燃料噴霧１７の方向を点火プラグ６の方向に反転させるための部分であるが、あまり深くなると、燃料噴霧１７の拡散を防止することができる反面、キャビティ２１内の混合気が濃くなりすぎ、ＳＯＯＴ（すす）の発生が多くなる恐れがある。

図９には、ＥＧＲ流２９の燃焼室８内の動きが示される。図９において、スワールコントロール弁２３が閉じると、吸気は吸気通路１０ａから吸気弁３ａを通り燃焼室８内に流れるため、スワール流１６が発生する。一方、ＥＧＲ流２９は、スワールコントロール弁２３の下流で吸気通路１０ｂに入り、吸気弁３ｂから燃焼室８内に流入する。燃焼室８内において、スワール流１６を生成する吸気の量は、ＥＧＲ流２９よりも多くなるので、スワール流１６に引き込まれる形で、ＥＧＲ流２９がスワール流１６の外側を流れる。そのため、混合気が集まるスワール流１６の中心部には、ＥＧＲがあまり供給されない状態になる。従って、燃焼性能に影響を来すことなく大量のＥＧＲを供給することができる。

図１０には本発明の他の実施例が示される。図１０において、キャビティ２１は、ピストン外周２８よりもその位置が低く形成される。図１０の例では、ピストン２の形状が比較的単純になり、燃焼時の熱のピストン２への流失が少なくなり、燃焼効率が高くなる。従って、燃費が向上する。

その他、本発明は本発明の主旨を変えない範囲で種々変更実施可能なことは勿論である。

本発明の一実施の形態を示す基本構成図である。図１と異なる位置での断面図である。成層混合気と均質混合気の領域に係る説明図である。本発明の他の実施例を示す構成図である。本発明の他の実施例を示す構成図である。本発明の他の実施例を示す構成図である。図６の例における燃焼室とキャビティに係る説明図である。本発明の他の実施例を示す構成図である。ＥＧＲ流の動作を示す説明図である。本発明の他の実施例を示す構成図である。

符号の説明

１…シリンダ
２…ピストン
３ａ、３ｂ…吸気弁
４ａ、４ｂ…排気弁
５…燃料噴射弁
６…点火プラグ
７…点火コイル
８…燃焼室
９…ＥＣＵ
１０ａ、１０ｂ…吸気通路
１１ａ、１１ｂ…排気通路
１２…排気触媒
１３…酸素センサ
１４…ＥＧＲ弁
１５…コレクタ
１６…スワール流
１７…燃料噴霧
１８…ＥＧＲ通路
１９…絞り弁
２０…ＡＦＭ
２１…キャビティ
２２…スワールコントロール弁シャフト
２３…スワールコントロール弁
２４…排気管
２５…スワールコントロール弁制御装置
２６…キャビティ中央突起
２７…ピストンピン
２８…ピストン外周
２９…ＥＧＲ流
３０…燃焼室中心
３１…キャビティ中心
３２…噴霧中心軸
３３…外縁部
３４…底部

Claims

ピストン頂面の略中央に設けたキャビティに向けて、燃焼室の略中央に設置した燃料噴射弁から燃料を噴射し、前記燃料噴射弁の噴霧の貫通力で該噴霧を前記キャビティで反射させ、該反射させた噴霧を前記燃料噴射弁近傍に設置した点火プラグに輸送して成層燃焼を行う
ことを特徴とする筒内直噴エンジンの燃焼方法。
ピストン頂面の略中央に設けたキャビティに向けて、燃焼室の略中央に設置した点火プラグ近傍の燃料噴射弁から燃料を噴射し、前記燃料噴射弁の噴霧の貫通力で該噴霧を前記キャビティで反射させ、該反射させた噴霧を前記点火プラグに輸送して成層燃焼を行う
ことを特徴とする筒内直噴エンジンの燃焼方法。
請求項１又は請求項２に記載の筒内直噴エンジンの燃焼方法において、
２つ有る吸気通路の一方を閉じ且つ他方から新気を導入して前記燃焼室内にスワール流を生成し、該スワール流で前記噴霧を前記燃焼室中心に閉じ込める
ことを特徴とする筒内直噴エンジンの燃焼方法。
請求項１又は請求項２に記載の筒内直噴エンジンの燃焼方法において、
２つ有る吸気通路の一方を閉じ且つ他方から新気を導入して前記燃焼室内にスワール流を生成するとともに、前記閉じた吸気通路の前記燃焼室側となる下流にエンジンの排気を導入してＥＧＲを行う
ことを特徴とする筒内直噴エンジンの燃焼方法。
請求項１又は請求項２に記載の筒内直噴エンジンの燃焼方法において、
前記キャビティの底部中央に突起を設けるとともに、該突起と前記噴霧の中心とを同軸とし、その上で前記噴霧の反射を行う
ことを特徴とする筒内直噴エンジンの燃焼方法。
請求項１又は請求項２に記載の筒内直噴エンジンの燃焼方法において、
前記キャビティの底部を平面にし、その上で前記噴霧の反射を行う
ことを特徴とする筒内直噴エンジンの燃焼方法。
請求項３又は請求項４に記載の筒内直噴エンジンの燃焼方法において、
前記キャビティの外側となる外縁部を前記ピストン頂面よりも高い位置に設けて前記スワール流の通路とする
ことを特徴とする筒内直噴エンジンの燃焼方法。
請求項７に記載の筒内直噴エンジンの燃焼方法において、
前記キャビティの底部を前記ピストン頂面と同じ高さにする
ことを特徴とする筒内直噴エンジンの燃焼方法。