JP2007321619A

JP2007321619A - 筒内噴射式火花点火内燃機関

Info

Publication number: JP2007321619A
Application number: JP2006151668A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ashizawa; 剛芦澤; Osamu Tomino; 修冨野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2007-12-13

Abstract

【課題】均質燃焼時において気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁により吸気行程末期にシリンダボアの排気弁側へ向けて複数の方向に燃料を噴射してタンブル流を強める筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射弁の排気弁側近傍に配置された点火プラグによって燃料噴射弁から圧縮行程後半に噴射される燃料により形成される可燃混合気を確実に着火させるようにして、均質燃焼だけでなく良好な成層燃焼も実現可能とする。
【解決手段】燃料噴射弁１は、複数の噴孔を有し、少なくとも一つの噴孔から噴射される燃料Ｆ４が点火プラグ４の点火ギャップ内又は点火ギャップ近傍を通過するようにされ、燃料噴射弁は、点火プラグの点火ギャップ内又は点火ギャップ近傍を通過する燃料Ｆ４だけにキャビテーションを発生させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。

気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を圧縮行程末期の点火時期において着火燃焼させる均質燃焼において、気筒内へ供給された吸気により形成されるタンブル流を圧縮行程後半まで持続させることができれば、点火時期において気筒内にタンブル流による乱れを存在させることができ、この乱れによって均質混合気の燃焼速度が高められるために、良好な均質燃焼を実現することができる。

吸気行程において気筒内に生成されるシリンダボアの排気弁側に沿って下降してシリンダボアの吸気弁側に沿って上昇するタンブル流は、それほど強いものではない。それにより、このタンブル流を圧縮行程後半まで持続させるために、気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁により吸気行程末期においてシリンダボアの排気弁側へ向けて燃料を噴射し、この燃料の貫徹力を利用してタンブル流を強めることが考えられる。

このように、燃料噴射弁が、複数の噴孔を有し、吸気行程末期のシリンダボアの排気弁側へ向けて複数の方向に燃料を噴射する場合において、燃料噴射弁の排気弁側近傍に点火プラグを配置して、少なくとも一方向に噴射される燃料が点火プラグの点火ギャップ内又は点火ギャップの近傍を通過するようにすれば、燃料噴射弁から圧縮行程後半に燃料を噴射することにより、複数方向に噴射される燃料によって気筒内の一部に形成される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ることができ、この可燃混合気を着火燃焼させれば、良好な成層燃焼も実現可能となる。

燃料噴射弁から圧縮行程後半に噴射される燃料は、気筒内の高圧の吸気との摩擦によって気化しながら飛行するが、燃料噴射弁近傍に配置された点火プラグの点火ギャップに（又は点火ギャップ近傍に）達した時点では、飛行距離が短いために十分に気化しておらず、点火ギャップが液状燃料により濡らされてアークの発生が阻害されることがある。それにより、点火ギャップが液状燃料により濡らされないように、点火プラグの点火ギャップ内又は点火ギャップ近傍を燃料が通過しないように燃料を噴射することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１２０２９９特表２００３−５３４４８６

しかしながら、前述のように、点火プラグの点火ギャップ内又は点火ギャップ近傍を燃料が通過しないようにしたのでは、成層燃焼時において、気筒内に形成される可燃混合気内に点火ギャップを位置させることができず、点火プラグにおいて良好にアークを発生させることはできても可燃混合気を良好に着火させることは難しい。

従って、本発明の目的は、均質燃焼時において気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁により吸気行程末期にシリンダボアの排気弁側へ向けて複数の方向に燃料を噴射してタンブル流を強める筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射弁の排気弁側近傍に配置された点火プラグによって燃料噴射弁から圧縮行程後半に噴射される燃料により形成される可燃混合気を確実に着火させるようにして、均質燃焼だけでなく良好な成層燃焼も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、気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁と、気筒上部において前記燃料噴射弁の排気弁側近傍に配置された点火プラグとを具備し、前記燃料噴射弁は、複数の噴孔を有し、均質燃焼に際して、吸気行程末期にシリンダボアの排気弁側へ向けて複数の方向に燃料を噴射し、シリンダボアの排気弁側に沿って下降して気筒内を旋回するタンブル流を強める筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁の少なくとも一つの噴孔から噴射される燃料が前記点火プラグの点火ギャップ内又は点火ギャップ近傍を通過するようにされ、前記燃料噴射弁は、前記点火プラグの点火ギャップ内又は点火ギャップ近傍を通過する燃料だけにキャビテーションを発生させ、成層燃焼に際して圧縮行程後半に噴射された燃料により気筒内の一部に一塊の可燃混合気を形成する場合に、キャビテーションを発生させた燃料は、前記点火プラグの点火ギャップ内又は点火ギャップ近傍に達する時には十分に気化するように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、均質燃焼に際して、気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁の複数の噴孔から吸気行程末期にシリンダボアの排気弁側へ向けて複数の方向に噴射される燃料によって、シリンダボアの排気弁側に沿って下降して気筒内を旋回するタンブル流は強められ、点火時期において気筒内に確実に乱れを発生させて良好な均質燃焼を実現することができる。また、燃料噴射弁の少なくとも一つの噴孔から噴射される燃料が点火プラグの点火ギャップ内又は点火ギャップ近傍を通過するようにされるために、成層燃焼に際して、圧縮行程後半に噴射された燃料により気筒内の一部に一塊の可燃混合気が形成される時には、点火プラグの点火ギャップを可燃混合気内に位置させることができる。燃料噴射弁は、点火プラグの点火ギャップ内又は点火ギャップ近傍を通過する燃料だけにキャビテーションを発生させ、成層燃焼時において、この燃料が点火プラグの点火ギャップ内又は点火ギャップ近傍に達する時には十分に気化するようにされているために、点火プラグの点火ギャップが液状燃料により濡らされてアークの発生が阻害されるようなことはなく、可燃混合気を確実に着火させることができる。こうして、均質燃焼だけでなく良好な成層燃焼も実現することができる。

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吸気行程末期の概略縦断面図であり、図２は図１のシリンダヘッドの底面図である。図１及び２は、均質燃焼時の燃料噴射時期を示している。また、図３は図１の筒内噴射式火花点火内燃機関の圧縮行程後半の概略断面図であり、図４は図３のシリンダヘッドの底面図である。図３及び４は、成層燃焼時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る。図１及び３においては図示されていないが、気筒上部の右側には一対の吸気弁２が配置され、左側には一対の排気弁３が配置されている（図２及び図４参照）。４は燃料噴射弁１の排気弁側近傍に配置された点火プラグである。５はピストンである。

本筒内噴射式火花点火内燃機関は、気筒内に理論空燃比よりリーンな均質混合気を形成し、この混合気を点火プラグ４により着火燃焼させる均質燃焼を実施するものである。この均質燃焼のリーン空燃比は、ＮＯ_X生成量が比較的少なくなるように設定される（例えば、２０）。高出力が必要な高回転高負荷時等においては、理論空燃比又はリッチ空燃比での均質燃焼を実施するようにしても良い。また、機関排気系に排気ガスの空燃比がリーンである時にＮＯ_Xを吸蔵するＮＯ_X吸蔵触媒装置が配置されている場合においては、ＮＯ_X吸蔵触媒装置から吸蔵ＮＯ_Xを放出して還元浄化する時には、燃焼空燃比を設定リッチ空燃比とする均質燃焼が実施される。

特に、リーン空燃比での均質燃焼は、点火時期において気筒内に乱れを存在させて燃焼速度を速めないと、所望の機関出力が得られない。それにより、吸気行程において気筒内に生成されるシリンダボアの排気弁側に沿って下降してシリンダボアの吸気弁側に沿って上昇して（ピストン頂面のキャビティにより偏向される場合には、シリンダボアの吸気弁側に沿わずに上昇することもある）気筒内を旋回するタンブル流Ｔを圧縮行程後半まで持続させるようにして点火時期において気筒内に乱れを存在させることが好ましい。しかしながら、一般的に気筒内に形成されるタンブル流は、それほど強いものではなく、圧縮行程後半までには容易に消滅し、点火時期においてタンブル流により気筒内に乱れを存在させることはできない。

それにより、本実施形態においては、吸気行程において気筒内に形成されたタンブル流Ｔを、吸気行程末期において燃料噴射弁１によりシリンダボアの排気弁側へ向けて斜め下方向に噴射される複数の燃料Ｆ１からＦ６の貫徹力によって強めるようにしている。こうして強められたタンブル流Ｔは、圧縮行程後半まで持続し、その後はピストンとシリンダヘッドとの間で潰されることにより点火時期において気筒内に乱れを存在させることができ、良好な均質燃焼を実現することができる。吸気行程末期の燃料噴射において、吸気下死点近傍が燃料噴射終了時期となるように、機関運転状態に応じて決定される必要燃料噴射量に基づき燃料噴射開始時期が設定される。また、燃料噴射開始時期を吸気行程後半において固定して、必要燃料噴射量を噴射するようにしても良い。

本実施形態において、燃料噴射弁１は、例えば、六つの噴孔を有し、六方向に燃料を噴射するものである。本実施形態においては、各噴射方向の気筒軸線に対する角度は略同一とされ、隣接する二つの噴射方向の間の角度は略同一（例えば、９度）とされている。しかしながら、これらは本発明を限定するものではない。本実施形態において、これら六つの噴射方向は、燃料噴射弁１及び点火プラグ４のそれぞれの中心軸線を通る平面に対して、左右三つの噴射方向に振り分けられる。各噴射方向に噴射される燃料Ｆ１からＦ６の貫徹力は、タンブル流を強めるために、噴射開始から１ｍｓ後の燃料先端が６０ｍｍ以上に達するようにすることが好ましい。こうして各噴射方向に噴射された燃料Ｆ１からＦ６は、タンブル流Ｔを強めた後に、タンブル流Ｔと共に気筒内を旋回して気筒内全体に分散し、圧縮行程末期の点火時期までには気筒内に均一混合気を形成する。

ところで、機関低負荷時においては、気筒内の一部だけに可燃混合気を形成し、この可燃混合気を着火燃焼させる成層燃焼を実施した方が、均質燃焼を実施する場合に比較して燃料消費を低減することができる。本実施形態では、六つの噴射方向のうちの前述の平面に近い内側二つの噴射方向に噴射される燃料Ｆ３及びＦ４が点火プラグ４の点火ギャップ近傍を通過するようにされている。このように、少なくとも一つの噴射方向に噴射される燃料が点火プラグ４の点火ギャップ内又は点火ギャップ近傍を通過するようにされていれば、圧縮行程後半に燃料を噴射することにより、複数の噴射方向の燃料は、それぞれが気筒内に高圧の吸気との摩擦によって気化して一塊の可燃混合気となり、この際に、可燃混合気内に点火プラグ４の点火ギャップを位置させることができる。それにより、点火プラグ４により確実に可燃混合気を着火燃焼させることができれば、良好な成層燃焼を実現することができる。

しかしながら、本実施形態のように、点火プラグ４が燃料噴射弁１の近傍に配置されている場合には、そのままでは、点火プラグ４の点火ギャップ近傍を通過する方向に噴射される燃料は、点火ギャップ近傍に達した時点では気化が十分でないために、点火ギャップを濡らすことがある。均質燃焼時においては、圧縮行程末期の点火時期までの時間が比較的長いために、点火ギャップを濡らす燃料は点火時期までに気化するが、成層燃焼時においては、圧縮行程末期の点火時期までの時間が短いために、点火ギャップを濡らす燃料が点火時期までに気化せずに点火ギャップが濡れたままとなって、アークの発生が阻害されることがある。暖機前の機関温度が低い時には、点火ギャップの液状燃料はさらに気化し難く、特に点火ギャップが濡れたままとなり易い。

こうして、アークを良好に発生させることができなければ、可燃混合気内に点火ギャップを位置させても可燃混合気を良好に着火させることができず、良好な成層燃焼を実現することはできない。本実施形態では、燃料噴射弁１により、点火プラグ４の点火ギャップ近傍を通過する燃料Ｆ３及びＦ４は、キャビテーションが発生するようにして噴射される。それにより、図３及び４に示すように、成層燃焼時において、圧縮行程後半の高圧の気筒内へ噴射される燃料Ｆ１からＦ６は、それぞれに飛行中に気化して互いに繋がる一塊の可燃混合気Ｍとなると共に、点火ギャップ近傍を通過する燃料Ｆ３及びＦ４は、キャビテーションが発生されているために特に気化し易く、点火ギャップ近傍に達した時点では容易に気化しており、点火ギャップが液状燃料により濡らされることはない。こうして、成層燃焼時において、点火ギャップが液状燃料より濡らされてアークの発生が阻害されることはなく、可燃混合気を良好に着火させることができる。

図５及び図６は、点火ギャップ近傍を通過する燃料Ｆ３及びＦ４だけにキャビテーションを発生させるための燃料噴射弁の先端部の断面図であり、図６は図５のＡ−Ａ断面図であり、図５は図６のＢ−Ｂ断面図である。これらの図において、１０は燃料噴射弁本体であり、１１は燃料噴射弁本体内に形成された高圧燃料通路である。高圧燃料通路１１は複数の気筒共通の蓄圧室から供給される高圧燃料により満たされている。１２は高圧燃料通路１１内に配置されて軸線方向に移動する弁体である。１３は弁体１２が当接する切頭円錐形状のシート部であり、１４はシート部１３の下流側に形成された円筒形状の容積室である。容積室１４の下面は、後述の噴孔プレート２０により閉鎖される。

燃料噴射弁本体１０には、容積室１４の側壁に直接的に開口する略扇形状断面の第一噴射室１５、第二噴射室１６、及び第三噴射室１７が形成されている。第一噴射室１５及び第二噴射室１６は隔壁１８により分離され、第二噴射室１６及び第三噴射室１７は隔壁１９により分離されている。第一噴射室１６、第二噴射室１７、及び第三噴射室１８の下面も、後述の噴孔プレート２０により閉鎖される。

噴孔プレート２０は燃料噴射弁本体１０の先端に取り付けられ、第一噴射室１５に連通して前述の燃料Ｆ１及びＦ２を噴射するための第一噴孔Ｈ１及び第二噴孔Ｈ２が形成され、第二噴射室１６に連通して前述の燃料Ｆ３及びＦ４を噴射するための第三噴口Ｈ３及び第四噴孔Ｈ４が形成され、第三噴射室１７に連通して前述の燃料Ｆ５及びＦ６を噴射するために第五噴孔Ｈ５及び第六噴孔Ｈ６が形成されている。

各噴孔Ｈ１からＨ６は、燃料噴射弁１の吸気弁側に形成され、シリンダボアの排気弁側へ向けて燃料を噴射するために、燃料噴射弁１の排気弁側へ向けて斜め下方向に傾斜するように形成されている。また、噴孔プレート２０には、容積室１４と第二噴射室１６とが狭い隙間の燃料通路２１によって連通されるようにするための突出部２２が形成されている。このような突出部２２は、第一噴射室１５及び第三噴射室１７に関しては設けられていない。

このように構成された燃料噴射弁１において、弁体１２がシート部１３に当接していれば、各噴孔からの燃料噴射は停止される。一方、弁体１２が軸線方向に移動してシート部１３から離間すれば、高圧燃料通路１１内の燃料は弁体１２とシート部１３との間の隙間を介して容積室１４へ流入する。次いで、容積室１４内の燃料は、第一噴射室１５へ流入して第一噴孔Ｈ１及び第二噴孔Ｈ２から強い貫徹力を有する燃料Ｆ１及びＦ２として噴射されると共に、第三噴射室１７へ流入して第五噴孔Ｈ５及び第六噴孔Ｈ６から強い貫徹力を有する燃料Ｆ５及びＦ６として噴射される。

また、容積室１４内の燃料は、燃料通路２１を介して第二噴射室１６へも流入し、第三噴孔Ｈ３及び第四噴孔Ｈ４から点火プラグ４の点火ギャップ近傍を通過する燃料Ｆ３及びＦ４が噴射される。この際、燃料通路２１の流路面積は極めて小さくされているために、燃料通路２１へ流入する燃料の流速は上昇し、それに伴って燃料通路２１内を流れる燃料圧力は低下し、この圧力低下によって燃料通路２１内ではキャビテーションが発生する。

こうして、燃料は燃料通路２１内で生じたキャビテーション気泡と共に第二噴射室１６へ流入する。燃料が第二噴射室１６を通過する際の流路面積は、第三噴孔Ｈ３及び第四噴孔Ｈ４の合計流路面積より大きいために、燃料は第二噴射室１６において滞留した後に第三噴孔Ｈ３及びＨ４から噴射される。こうして、第二噴射室１６における燃料の滞留によって、燃料とキャビテーション気泡との十分な混合が実現され、第三噴孔Ｈ３及び第四噴孔Ｈ４からはキャビテーション気泡が十分に混合されて、特に、高圧の気筒内においては容易に気化する燃料を噴射することができる。第三噴孔Ｈ３及び第四噴孔Ｈ４は傾斜して形成されおり、容積室１４から第二噴射室１６へ流入する燃料は、反対方向の速度成分を有して斜め下方向に噴射されるために、それによっても第二噴射室１６に滞留し易く、第二噴射室１６においてキャビテーション気泡との混合が促進される。また、このような噴孔は、第二噴射室１６内へ燃焼ガスが流入した際に、燃焼ガスが燃料通路２１を直撃せず、燃料通路２１へのデポジットの堆積を抑制することができる。

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吸気行程末期の概略縦断面図である。図１の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圧縮行程後半の概略断面図である。図３のシリンダヘッドの底面図である。燃料噴射弁の先端部の断面を示す図６のＢ−Ｂ断面図である。燃料噴射弁の先端部の断面を示す図５のＡ−Ａ断面図である。

符号の説明

１燃料噴射弁
２吸気弁
３排気弁
４点火プラグ
５ピストン
Ｔタンブル流
Ｆ１〜Ｆ６噴射燃料

Claims

気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁と、気筒上部において前記燃料噴射弁の排気弁側近傍に配置された点火プラグとを具備し、前記燃料噴射弁は、複数の噴孔を有し、均質燃焼に際して、吸気行程末期にシリンダボアの排気弁側へ向けて複数の方向に燃料を噴射し、シリンダボアの排気弁側に沿って下降して気筒内を旋回するタンブル流を強める筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁の少なくとも一つの噴孔から噴射される燃料が前記点火プラグの点火ギャップ内又は点火ギャップ近傍を通過するようにされ、前記燃料噴射弁は、前記点火プラグの点火ギャップ内又は点火ギャップ近傍を通過する燃料だけにキャビテーションを発生させ、成層燃焼に際して圧縮行程後半に噴射された燃料により気筒内の一部に一塊の可燃混合気を形成する場合に、キャビテーションを発生させた燃料は、前記点火プラグの点火ギャップ内又は点火ギャップ近傍に達する時には十分に気化する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。