JP2009085012A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダ内のタンブル流を強化することにより混合気の均質性を向上できる内燃機関を提供すること。
【解決手段】この内燃機関は、ピストンとピストンを往復可能に収容するシリンダとを有すると共に、所定量の燃料を複数回に分割してシリンダ内に直接噴射する筒内直噴式の内燃機関である。この内燃機関では、シリンダの軸方向断面視にて、燃料の噴射方向の延長線とシリンダの壁面との交点Ｐが前記ピストンの下死点よりも上側にある。また、主たる燃料噴射であるメイン燃料噴射と、メイン燃料噴射の後に行われるサブ燃料噴射とが行われるときに、エンジンの圧縮行程中であってピストンの頂面が交点Ｐを通過する前に、前記サブ燃料噴射が行われる。
【選択図】 図２

Description

この発明は、内燃機関に関し、さらに詳しくは、シリンダ内のタンブル流を強化することにより混合気の均質性を向上できる内燃機関に関する。

近年の内燃機関では、ノック特性などのエンジン性能を高めるために、所定量の燃料を複数回に分割してシリンダ内に直接噴射する燃料噴射方式が採用されている。

かかる構成を採用する従来の内燃機関として、特許文献１に記載される技術が知られている。従来の内燃機関（筒内噴射式エンジン）は、燃焼室内に直接燃料を噴射するようにインジェクタが配置されるとともに、このインジェクタから吸気行程中に燃料を早期噴射して均一燃焼を行う運転領域である均一燃焼領域が設定された筒内噴射式エンジンにおいて、吸入空気流量検出手段と、上記均一燃焼領域における早期噴射開始時点よりも前の噴射前時点と当該早期噴射開始時点よりも後の噴射後時点との双方で検出吸入空気流量に基づく吸気充填量の算出を行う充填量算出手段と、上記噴射前時点で算出された吸気充填量に基づいて早期噴射での燃料噴射量を決定するとともに、噴射前時点で算出された吸気充填量よりも噴射後時点で算出された吸気充填量が大きい場合にその増大分に見合う量の燃料を圧縮行程前半中に噴射する追加噴射を行わせる燃料制御手段とを備えたことを特徴とする。

特開平１１−３６９５８号公報

ここで、燃料をシリンダ内に直接噴射する筒内直噴式の内燃機関では、タンブル流（吸気流）をシリンダ内に効果的に形成して、混合気の均質性を向上させるべき課題がある。かかる混合気の均質化により、ノック特性などのエンジン性能が向上する。

そこで、この発明は、上記に鑑みてされたものであって、シリンダ内のタンブル流を強化することにより混合気の均質性を向上できる内燃機関を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明にかかる内燃機関は、ピストンと前記ピストンを往復可能に収容するシリンダとを有すると共に、所定量の燃料を複数回に分割して前記シリンダ内に直接噴射する筒内直噴式の内燃機関であって、前記シリンダの軸方向断面視にて、燃料の噴射方向の延長線と前記シリンダの壁面との交点Ｐが前記ピストンの下死点よりも上側にあり、且つ、主たる燃料噴射であるメイン燃料噴射と、前記メイン燃料噴射の後に行われるサブ燃料噴射とが行われるときに、エンジンの圧縮行程中であって前記ピストンの頂面が交点Ｐを通過する前に、前記サブ燃料噴射が行われることを特徴とする。

この内燃機関では、エンジンの圧縮行程中であってピストンの頂面が所定の交点Ｐを通過する前に、サブ燃料噴射が補助的に行われてシリンダ内のタンブル流Ｒが強化される。かかる構成では、（１）メイン燃料噴射のみが行われる構成と比較して、タンブル流が効果的に強化されて、混合気の均質性が向上する。これにより、燃料の燃焼速度が増加して、エンジンのノック特性が改善される利点がある。また、（２）ピストンの頂面が所定の交点Ｐを通過したとき以降にサブ燃料噴射が行われる構成と比較して、タンブル流が効果的に強化される利点がある。

また、この発明にかかる内燃機関は、前記ピストンの頂面が交点Ｐにあるときのクランク角度ａと、前記サブ燃料噴射が行われるときのクランク角度ｂとがａ−３０［ｄｅｇ］≦ｂ≦ａ−１０［ｄｅｇ］の関係を有する。

この内燃機関では、ピストンの頂面が交点Ｐにあるときのクランク角度ａを基準として１０［ｄｅｇ］〜３０［ｄｅｇ］手前のクランク角度ｂにて、サブ燃料噴射が行われる。かかる構成では、サブ燃料噴射の時期（クランク角度ｂ）が適正化されるので、タンブル流Ｒが効果的に強化される利点がある。

また、この発明にかかる内燃機関は、所定量の燃料が三回以上に分割されて噴射されるときに、前記サブ燃料噴射が最後に行われる。

この内燃機関では、エンジンの圧縮行程中であってピストンの頂面が交点Ｐを通過する前にサブ燃料噴射が行われた後は、燃料噴射が行われない。これにより、タンブル流が効果的に強化される利点がある。

また、この発明にかかる内燃機関は、前記メイン燃料噴射は、エンジンの吸気行程であって前記ピストンが下死点付近にあるときに行われる。

この内燃機関では、シリンダ容積が十分に広いときにメイン燃料噴射が行われる。これにより、シリンダ内に効率的にタンブル流が形成されて、混合気の均質性が向上する。

この発明にかかる内燃機関では、エンジンの圧縮行程中であってピストンの頂面が所定の交点Ｐを通過する前に、サブ燃料噴射が補助的に行われてシリンダ内のタンブル流Ｒが強化される。かかる構成では、（１）メイン燃料噴射のみが行われる構成と比較して、タンブル流が効果的に強化されて、混合気の均質性が向上する。これにより、燃料の燃焼速度が増加して、エンジンのノック特性が改善される利点がある。また、（２）ピストンの頂面が所定の交点Ｐを通過したとき以降にサブ燃料噴射が行われる構成と比較して、タンブル流が効果的に強化される利点がある。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、この実施例の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。また、この実施例に記載された複数の変形例は、当業者自明の範囲内にて任意に組み合わせが可能である。

［内燃機関］
図１は、この発明の実施例にかかる内燃機関を示す構成図である。図２〜図６は、図１に記載した内燃機関の作用を示す説明図である。この内燃機関１は、例えば、筒内噴射式の４サイクルガソリンエンジンに適用される（図１参照）。内燃機関１は、エンジン２と、吸気系統３と、排気系統４と、制御系統５とを有する。

エンジン２は、ピストン２１と、ピストン２１を収容するシリンダ（シリンダボア）２２と、ピストン２１に連結されるクランクシャフト２３と、シリンダ２２に接続される吸気ポート２４および排気ポート２５と、燃料噴射用のインジェクタ２６と、点火プラグ２７とを有する。このエンジン２では、シリンダ２２の軸方向断面視にて、燃料の噴射方向の延長線とシリンダ２２の壁面との交点Ｐがピストン２１の下死点ＴＤＣよりも上側にあるように、エンジン２のインジェクタ２６が設置されている。このエンジン２では、空気が吸気ポート２４からシリンダ２２内に吸入されて圧縮され、また、インジェクタ２６からシリンダ２２内に燃料が噴射されて混合気が形成される。そして、この混合気が点火プラグ２７により点火されてシリンダ２２（燃焼室）内で燃焼し、その燃焼エネルギーによりピストン２１が駆動されてシリンダ２２内を往復運動する。すると、このピストン２１の往復運動がクランクシャフト２３の回転運動に変換されて動力が発生する。また、シリンダ２２内の燃焼ガスが排気ポート２５を介してシリンダ２２の外部に排出される。

吸気系統３は、吸気通路（吸気管）３１と、この吸気通路３１上に配置されるエアフィルタ３２、スロットルバルブ３３およびサージタンク３４とを有する。吸気通路３１は、吸気マニホールドを介してエンジン２の吸気ポート２４に接続される。エアフィルタ３２は、吸気通路３１の入口部に配置されて吸入空気中のゴミや塵などを除去するフィルタである。スロットルバルブ３３は、吸気通路３１にて空気の流路断面積を調整する流量調整弁である。サージタンク３４は、吸入空気を一時的に溜めて吸気脈動を抑制するタンクである。この吸気系統３では、エアフィルタ３２を通過した吸気が吸気通路３１を介してエンジン２に導入される。

排気系統４は、排気通路（排気管）４１と、この排気通路４１上に配置される第一触媒装置４２および第二触媒装置４３とを有する。排気通路４１は、排気マニホールドを介してエンジン２の排気ポート２５に接続される。第一触媒装置４２および第二触媒装置４３は、排気通路４１を流れる排気を浄化する機能を有する。この排気系統４では、エンジン２の排気が排気通路４１を通り触媒装置４２、４３にて浄化されて排出される。

制御系統５は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５１と、エンジン２の回転数を計測する回転数センサ５２と、エンジン２の負荷を計測するトルクセンサ（図示省略）とを有する。この制御系統５では、各種センサ５２の出力信号に基づいて、ＥＣＵ５１が後述する燃料噴射制御を行う。

［燃料噴射制御］
この内燃機関１では、エンジン性能を高めるために、所定量の燃料が複数回（二回以上）に分割されてシリンダ２２内に直接噴射される（図１および図２参照）。例えば、この実施例では、以下のように燃料噴射制御が行われる。

まず、エンジン２の吸気行程では、吸気ポート２４から導入された吸気によってシリンダ２２内にタンブル流（吸気流）Ｒが形成される（図３参照）。このタンブル流Ｒは、燃焼室にて吸気ポート２４側から排気ポート２５側に向かって流れる（順タンブル流）。

次に、この吸気行程にてピストン２１が下死点ＢＤＣにあるときに、主たる燃料噴射であるメイン燃料噴射が行われる（図２および図３参照）。このとき、燃料がシリンダ２２内のタンブル流Ｒに沿って噴射され、また、タンブル流Ｒを強化する方向に噴射される。これにより、混合気の均質性が向上する。

次に、このメイン燃料噴射の後に、補助的な燃料噴射であるサブ燃料噴射が行われる（図２および図４参照）。このサブ燃料噴射は、エンジン２の圧縮行程中であってピストン２１の頂面が所定の点Ｐ（燃料の噴射方向の延長線とシリンダ２２の壁面との交点。図５参照。）を通過する前（直前）に行われる。具体的には、ピストン２１が下死点ＢＤＣから上昇して圧縮行程が行われるときに、この下死点ＢＤＣと所定の点Ｐとの間の区間にて、サブ燃料噴射が行われる。このサブ燃料噴射は、主として、シリンダ２２内に形成されたタンブル流Ｒを強化する（増速させる）ために行われる。すなわち、シリンダ２２内のタンブル流Ｒは、その形成直後から時間の経過と共に減衰する。このため、エンジン２の圧縮行程中にてサブ燃料噴射が行われて、タンブル流Ｒの強化が行われる。これにより、混合気の均質性が更に向上する。

［効果］
以上説明したように、この内燃機関１では、エンジン２の圧縮行程中であってピストン２１の頂面が所定の交点Ｐを通過する前に、サブ燃料噴射が補助的に行われてシリンダ２２内のタンブル流Ｒが強化される。かかる構成では、（１）メイン燃料噴射のみが行われる構成と比較して、タンブル流Ｒが効果的に強化されて、混合気の均質性が向上する。これにより、燃料の燃焼速度が増加して、エンジンのノック特性が改善される利点がある。また、（２）ピストン２１の頂面が所定の交点Ｐを通過したとき以降にサブ燃料噴射が行われる構成と比較して、タンブル流Ｒが効果的に強化される利点がある。例えば、ピストン２１の頂面が交点Ｐの位置にあるときにサブ燃料噴射が行われる構成では、噴射された燃料が交点Ｐ付近に滞留して、タンブル流Ｒの増速効果が低下する。また、ピストン２１の頂面が交点Ｐを通過した後にサブ燃料噴射が行われる構成では、噴射された燃料がピストン２１の頂面に当たってタンブル流Ｒを減衰させるおそれがある。

［付加的事項］
なお、この内燃機関１では、ピストン２１の頂面が交点Ｐにあるときのクランク角度ａと、サブ燃料噴射が行われるときのクランク角度ｂとがａ−３０［ｄｅｇ］≦ｂ≦ａ−１０［ｄｅｇ］の関係を有することが好ましい（図２参照）。すなわち、ピストン２１の頂面が交点Ｐにあるときのクランク角度ａを基準として１０［ｄｅｇ］〜３０［ｄｅｇ］手前のクランク角度ｂにて、サブ燃料噴射が行われる。かかる構成では、サブ燃料噴射の時期（クランク角度ｂ）が適正化されるので、タンブル流Ｒが効果的に強化される利点がある。例えば、ｂ＜ａ−３０［ｄｅｇ］では、サブ燃料噴射の時期が早すぎるため、タンブル流Ｒがサブ噴射後から点火時期までの間に減衰してしまうおそれがある。また、ａ−１０［ｄｅｇ］＜ｂ（＜ａ）では、噴射された燃料が交点Ｐ付近に滞留し易くなり、タンブル流Ｒの増速効果が低下するおそれがある。

また、上記の構成では、サブ燃料噴射のクランク角度ｂがタンブル流の増速効果との関係で上記の範囲内（ａ−３０［ｄｅｇ］≦ｂ≦ａ−１０［ｄｅｇ］）にて適宜変更されることが好ましい（図６参照）。具体的には、タンブル増速効果がピークとなるクランク角度ｂにて、サブ燃料噴射が行われる。これにより、タンブル流Ｒが効果的に強化される。なお、このサブ燃料噴射のクランク角度ｂは、エンジン仕様等に応じて適宜選択され得る。

また、この内燃機関１では、所定量の燃料が三回以上に分割されて噴射されるときに、サブ燃料噴射が最後に行われることが好ましい。すなわち、エンジンの圧縮行程中であってピストン２１の頂面が交点Ｐを通過する前にサブ燃料噴射が行われた後は、燃料噴射が行われないことが好ましい。これにより、タンブル流Ｒが効果的に強化される利点がある。例えば、ピストン２１の頂面が交点Ｐを通過した後に燃料噴射が行われると、噴射された燃料がピストン２１の頂面に当たってタンブル流Ｒを減衰させるおそれがある。

また、この内燃機関１では、メイン燃料噴射は、エンジン２の吸気行程であってピストン２１が下死点ＢＤＣ付近にあるときに行われることが好ましい（図２および図３参照）。かかる構成では、シリンダ容積が十分に広いときにメイン燃料噴射が行われる。これにより、シリンダ２２内に効率的にタンブル流Ｒが形成されて、混合気の均質性が向上する。なお、これに限らず、メイン燃料噴射の時期は、サブ燃料噴射の時期よりも前であれば、特に限定されない。

なお、この実施例では、上記のように、メイン燃料噴射およびサブ燃料噴射のみが行われている（図２参照）。そして、メイン燃料噴射がエンジン２の吸気行程であってピストン２１が下死点ＢＤＣにあるときに行われ、また、サブ燃料噴射が所定のクランク角度ｂ（ａ−３０［ｄｅｇ］≦ｂ≦ａ−１０［ｄｅｇ］）にて行われている。

以上のように、この発明にかかる内燃機関は、シリンダ内のタンブル流を強化することにより混合気の均質性を向上できる点で有用である。

この発明の実施例にかかる内燃機関を示す構成図である。 図１に記載した内燃機関の作用を示す説明図である。 図１に記載した内燃機関の作用を示す説明図である。 図１に記載した内燃機関の作用を示す説明図である。 図１に記載した内燃機関の作用を示す説明図である。 図１に記載した内燃機関の作用を示す説明図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ エンジン
２１ ピストン
２２ シリンダ
２３ クランクシャフト
２４ 吸気ポート
２５ 排気ポート
２６ インジェクタ
２７ 点火プラグ
３ 吸気系統
３１ 吸気通路
３２ エアフィルタ
３３ スロットルバルブ
３４ サージタンク
４ 排気系統
４１ 排気通路
４２ 第一触媒装置
４３ 第二触媒装置
５ 制御系統
５１ ＥＣＵ
５２ 回転数センサ

Claims (4)

1. ピストンと前記ピストンを往復可能に収容するシリンダとを有すると共に、所定量の燃料を複数回に分割して前記シリンダ内に直接噴射する筒内直噴式の内燃機関であって、
   前記シリンダの軸方向断面視にて、燃料の噴射方向の延長線と前記シリンダの壁面との交点Ｐが前記ピストンの下死点よりも上側にあり、且つ、
   主たる燃料噴射であるメイン燃料噴射と、前記メイン燃料噴射の後に行われるサブ燃料噴射とが行われるときに、エンジンの圧縮行程中であって前記ピストンの頂面が交点Ｐを通過する前に、前記サブ燃料噴射が行われることを特徴とする内燃機関。
2. 前記ピストンの頂面が交点Ｐにあるときのクランク角度ａと、前記サブ燃料噴射が行われるときのクランク角度ｂとがａ−３０［ｄｅｇ］≦ｂ≦ａ−１０［ｄｅｇ］の関係を有する請求項１に記載の内燃機関。
3. 所定量の燃料が三回以上に分割されて噴射されるときに、前記サブ燃料噴射が最後に行われる請求項１または２に記載の内燃機関。
4. 前記メイン燃料噴射は、エンジンの吸気行程であって前記ピストンが下死点付近にあるときに行われる請求項１〜３のいずれか一つに記載の内燃機関。

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