JP2009097470A - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気温度を変更するための吸気温度変更手段を備える筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気温度変更手段により吸気温度を設定温度以上とする時には、ポンピング損失を増大させず、また、未燃燃料の排出量も増大させないように吸気行程の燃料噴射時期を設定する。
【解決手段】吸気温度変更手段により吸気温度を設定温度以上とする時には、燃料噴射開始時期を、吸気充填効率が設定値以上となる燃料噴射開始時期範囲（ａ２からａ３）より吸気行程において遅角側とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。

インタークーラを備える内燃機関において、ノッキングが発生しない機関低負荷時には、インタークーラを作動させずに吸気温度を上昇させ、それにより、燃焼が生じ得る空燃比の上限値を高くして燃料消費を低減することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、吸気温度を上昇させることにより吸気密度が減少して吸気充填効率が低下するために、同じ吸気量を供給するのにスロットル弁開度を増大させることができ、ポンピング損失が低減する。

特開２００３−２４７４２２ 特開平１０−３３９２１９

しかしながら、吸気行程で燃料を噴射して均質燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関の場合において、燃料噴射時期によっては、燃料の気化潜熱により吸気弁閉弁時の気筒内吸気温度を過剰に低下させて吸気充填効率が高くなり、それにより、必要吸気量を供給するのにスロットル弁開度を減少させることとなってポンピング損失が増大することがある。

また、吸気充填効率が過剰に高くならないように燃料噴射時期を早めると、燃料噴射時期における燃料噴射弁とピストン頂面との距離が短くなるために、噴射燃料がピストン頂面に衝突付着し易くなり、未燃燃料の排出量が増大してしまう。

従って、本発明の目的は、吸気温度を変更するための吸気温度変更手段を備える筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気温度変更手段により吸気温度を設定温度以上とする時には、ポンピング損失を増大させず、また、未燃燃料の排出量も増大させないように吸気行程の燃料噴射時期を設定することである。

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、吸気温度を変更するための吸気温度変更手段を備える筒内噴射式火花点火内燃機関であって、前記吸気温度変更手段により吸気温度を設定温度以上とする時には、燃料噴射開始時期を、吸気充填効率が設定値以上となる燃料噴射開始時期範囲より吸気行程において遅角側とすることを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記吸気温度変更手段は吸気加熱装置であることを特徴とする。

本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記吸気温度変更手段は吸気冷却装置であることを特徴とする。

本発明による請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射開始時期範囲は、吸気弁閉弁時期より５ｍｓ前から７ｍｓ前の範囲であ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、吸気温度変更手段により吸気温度を設定温度以上とする時には、燃料噴射開始時期を、吸気充填効率が設定値以上となる燃料噴射開始時期範囲より吸気行程において遅角側とするようになっている。それにより、この燃料噴射開始時期範囲に燃料噴射が開始されて吸気充填効率が設定値以上となり、必要吸気量を実現するのにスロットル弁開度を減少させなければならずにポンピング損失が増大することは防止され、また、吸気充填効率が設定値以上となる燃料噴射開始時期範囲より進角側で燃料噴射が開始されて、燃料噴射弁とピストン頂面との距離が短いために噴射燃料がピストン頂面に衝突付着して未燃燃料の排出量が増大することも防止される。

本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気温度変更手段を吸気加熱装置としている。

本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気温度変更手段を吸気冷却装置としている。

本発明による請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気充填効率が設定値以上となる燃料噴射開始時期範囲を、吸気弁閉弁時期より４ｍｓ前から８ｍｓ前の範囲としている。

図１は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第一実施形態を示す概略図である。同図において、１は機関本体、２は吸気系、３は排気系である。吸気系２は、最上流部にエアクリーナ４を有し、熱交換器としてのインタークーラ５を通り機関本体１に接続される。吸気系２のインタークーラ５より下流側にはスロットル弁６が設けられている。

インタークーラ５は、吸気冷却にラジエータ７により冷却された冷却水を利用するものである。機関本体１とラジエータ７とを接続する流入通路７ａには、循環ポンプＰの下流側においてインタークーラ５に接続される分岐通路８が接続され、また、機関本体１とラジエータ７とを接続する流出通路７ｂには、インタークーラ５からの合流通路９が接続される。合流通路９には制御弁１０が配置されている。

このような構成においては、制御弁１０を開弁することにより、インタークーラ５への冷却水の循環が実施され、気筒内へ供給される吸気温度は低下し、ノッキングを発生し難くすると共に、吸気充填効率を高めることができる。また、制御弁１０を閉弁することにより、インタークーラ５への冷却水の循環は停止され、気筒内へ供給される吸気温度は低下しない。こうして、インタークーラ５は吸気温度を変更する吸気温度変更手段として機能する。

図２は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第二実施形態を示す概略図である。同図において、１は機関本体、２は吸気系、３は排気系である。吸気系２は、最上流部にエアクリーナ４を有し、熱交換器としてのインターヒータ５０を通り機関本体１に接続される。吸気系２のインターヒータ５０より下流側にはスロットル弁６が設けられている。

インターヒータ５０は、吸気加熱に機関本体１を冷却して加熱された冷却水を利用するものである。機関本体１とラジエータ７とを接続する流入通路７ａ’には、循環ポンプＰが配置されており、機関本体１とラジエータ７とを接続する流出通路７ｂ’には、切換弁１００が配置されると共に、切換弁１００において分岐してインターヒータ５０を通過し、切換弁１００の下流側において合流する分岐通路８０が設けられている。

このような構成においては、切換弁１００を切り換えて機関本体１において加熱された冷却水がインターヒータ５０を循環するようにすることにより、気筒内へ供給される吸気温度は高められる。また、切換弁１００を切り換えて冷却水がインターヒータ５０を循環しないようにすることにより、気筒内へ供給される吸気温度は高められることなく、ノッキングを発生し難くすると共に、吸気充填効率を高めることができる。こうして、インターヒータ５０は吸気温度を変更する吸気温度変更手段として機能する。

図３は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第三実施形態を示す概略図である。同図において、１は機関本体、２’は吸気系、３’は排気系である。吸気系２’は、最上流部にエアクリーナ４を有し、熱交換器としての上流側の第一インターヒータ５１及び下流側の第二インターヒータ５２を通り機関本体１に接続される。吸気系２’の第二インターヒータ５２の下流側にはスロットル弁６が設けられている。

第一及び第二インターヒータ５１及び５２は、吸気加熱に排気ガスの熱を利用するものであり、排気系３’が第二インターヒータ５２及び第一インターヒータ５１を通るようにされている。排気系３’は、第一切換弁１０１によって第一インターヒータ５１をバイパス可能とされ、第二切換弁１０２によって第二インターヒータ５２をバイパス可能とされている。排気系３’には、第一インターヒータ５１と第二インターヒータ５２との間に触媒装置１１が配置されている。

このような構成においては、第一切換弁１０１及び第二切換弁１０２によって排気ガスが第一インターヒータ５１及び第二インターヒータ５２のいずれも通過しないようにすることにより、気筒内へ供給される吸気温度は高められることなく、ノッキングを発生し難くすると共に、吸気充填効率を高めることができる。

また、第一切換弁１０１及び第二切換弁１０２の少なくともいずれか一方によって排気ガスが第一インターヒータ５１及び第二インターヒータ５２の少なくともいずれか一方を通過するようにすることにより、気筒内へ供給される吸気温度は高められる。この場合において、機関始動直後のように触媒装置１１の暖機が不十分である時には、排気ガスが第二インターヒータ５２をバイパスして第一インターヒータ５１を通過するようにすることで、触媒装置１１へ流入する排気ガス温度は低下しないために触媒装置１１の暖気を悪化させないようにすることができる。また、機関高負荷運転が持続する等して触媒装置１１の温度が高くなり過ぎている時には、排気ガスが第二インターヒータ５２を通過するようにすることで、触媒装置１１へ流入する排気ガス温度を低下させ、触媒装置１１の温度が過剰に高まることを防止することができる。こうして、第一インターヒータ５１及び第二インターヒータ５２は吸気温度を変更する吸気温度変更手段として機能する。

図４は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第四実施形態を示す概略図である。同図において、１は機関本体、２”は吸気系、３は排気系である。吸気系２”は、最上流部にエアクリーナ４を有し、切換弁２００が配置されている。切換弁２００の下流側は、一方でインタークーラ５’を通りスロットル弁６に接続され、他方でインターヒータ５０’を通りスロットル弁６に接続される。スロットル弁６の下流側は機関本体１に接続される。

７はラジエータであり、機関本体１とは流入通路７ａ及び流出通路７ｂにより接続され、流入通路７ａには、循環ポンプＰが配置されている。図４に示すように、車両前側から、インタークーラ５’、ラジエータ７、インターヒータ５０’の順で配置されており、走行風は、矢印で示すように、インタークーラ５’及びラジエーラ７を冷却する共に、これらの冷却により加熱された走行風によってインターヒータ５０’は加熱される。

このような構成においては、切換弁２００によって吸気がインタークーラ５’を通過するようにすることにより、気筒内へ供給される吸気温度は低下され、ノッキングを発生し難くすると共に、吸気充填効率を高めることができる。

また、切換弁２００によって吸気がインターヒータ５０’を通過するようにすることにより、気筒内へ供給される吸気温度は高められる。本実施形態において、インタークーラ５’及びインターヒータ５０’は冷却水によって加熱及び冷却される必要がなく、構造を簡単化することができる。

また、別の実施形態として、異なる温度に吸気を加熱するインターヒータが直列的に複数設けられている場合には、温度の低いインターヒータほど先に吸気が通過するようにすることで、効率良く吸気温度を上昇させることができる。

また、さらに別の実施形態として、異なる温度に吸気を加熱するインターヒータが並列的に複数設けられている場合には、各インターヒータを通過する吸気量を適当にフィードバック制御することにより、吸気温度を所望温度に制御することができる。

図５は、機関本体１の概略縦断面図である。同図において、６０は気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁であり、６１は燃料噴射弁６０の吸気弁側近傍に配置された点火プラグである。６２は一対の吸気弁（図示せず）を介して気筒内へ通じる吸気ポートであり、６３は一対の排気弁（図示せず）を介して気筒内へ通じる排気ポートである。６４はピストンである。

燃料噴射弁６０は、略半円弧状スリット噴孔を有して中空半円錐形状にシリンダボアの排気ポート側下部又はピストン頂面の排気ポート側周囲部へ向けて燃料ｆを吸気下死点近傍において噴射するものである。また、燃料噴射弁６０は、複数の丸噴孔を有して、吸気下死点近傍において、各噴孔からシリンダボアの排気ポート側下部又はピストン頂面の排気ポート側周囲部へ向けて複数の燃料を噴射するようにしても良い。これらの複数の丸噴孔は略半円弧状に整列させても良い。

このような燃料ｆが燃料噴射弁６０の噴射時期である吸気下死点近傍において噴射されれば、ピストン頂面又はシリンダボアに衝突付着し難く、また、タンブル流Ｔを良好に強めることができる。こうしてタンブル流Ｔが強められれば、タンブル流Ｔは圧縮行程後半においてピストン６４により潰されるまで気筒内に確実に持続し、ピストン６４により潰されて気筒内に点火時期まで持続する乱れを発生させることができ、燃焼速度を速めて良好な均質燃焼を実現することができる。

燃料噴射弁６０により噴射される燃料ｆの貫徹力は、タンブル流Ｔを確実に強めるために、例えば、噴射開始から１ｍｓ後の燃料先端が６０ｍｍ以上に達するように強くすることが好ましい。

また、燃料噴射弁６０は、部分円弧状、直線状、又は折れ線状のスリット噴孔を有して部分円弧断面、直線断面、又は折れ線断面の燃料を噴射するものでも、また、直線状又は折れ線状に配列された複数の丸噴孔を有して複数の柱状に燃料を噴射するものでも良い。このような場合において、噴射燃料は、シリンダボアの排気ポート側下部（略半円弧断面の帯状部分）及びピストン頂面の排気ポート側周囲部（略半円弧の帯状部分）の少なくとも一方に向かうようにされれば良い。もちろん、燃料噴射弁６０は、吸気下死点近傍において、シリンダボアの排気ポート側下部（略半円弧断面の帯状部分）及びピストン頂面の排気ポート側周囲部（略半円弧の帯状部分）の少なくとも一方に向かうように中空又は中実円錐形状の燃料を噴射するものでも良い。

ところで、ノッキングが発生し難い機関低負荷時等において、インタークーラの作動を停止したり、インターヒータを作動させたりすることにより、吸気温度を設定温度以上とすれば、燃焼が生じ得る空燃比の上限値を高くなるために、噴射燃料を減量して燃料消費を低減することができる。また、吸気温度を設定温度以上とすると、吸気密度が減少するために、同じ吸気量を気筒内へ供給するのにスロットル弁開度を増大させることができ、ポンピング損失が低減される。

しかしながら、本実施形態のように、吸気行程燃料噴射の筒内噴射式火花点火内燃機関の場合において、燃料噴射時期によっては、燃料の気化潜熱により吸気弁閉弁時の気筒内吸気温度が過剰に低下して吸気充填効率が高くなるために、必要吸気量を供給するのに、増大させたスロットル弁開度を過剰に減少させることとなってポンピング損失が増大することがある。

図６は、クランク角度に対する吸気弁のリフトを示すグラフである。吸気上死点（ＴＤＣ）のクランク角度ａ１より前のクランク角度ａ０において吸気弁は開弁を開始し、吸気下死点（ＢＤＣ）のクランク角度ａ４より後のクランク角度ａ５において吸気弁は閉弁を終了する。この吸気弁の閉弁終了時期（以下、吸気弁閉弁時期）から所定時間前のクランク角度範囲内ａ２からａ３において、燃料噴射が開始されると、噴射燃料の大部分が吸気弁閉弁時期において気筒内で気化するために、気筒内の吸気温度を過剰に低下させる。

それにより、吸気充填効率が高くなり過ぎるために、必要吸気量を実現するためにはスロットル弁６の開度を減少させなければならなくなり、ポンピング損失が増大する。それにより、クランク角度範囲ａ２からａ３より前で燃料噴射を開始することが考えられるが、これでは、燃料噴射弁６０とピストン６４との間の距離が短くなるために、噴射燃料がピストン頂面に衝突して付着し、この付着燃料の一部は膨張行程において気化して未燃燃料として排出されるために、未燃燃料の排出量を増大させる。

従って、本実施形態では、ノッキングの発生が心配されない時等においてインタークーラ又はインターヒータのような吸気温度変更手段により吸気温度を設定温度以上とする場合には、燃料噴射開始時期を、吸気充填効率が設定値以上となる燃料噴射開始時期範囲（クランク角度ａ２からａ３の範囲）より吸気行程において遅角側とするようになっている。すなわち、燃料噴射開始時期をクランク角度ａ３より遅く吸気弁閉弁時期ａ５までに設定するようになっている。

それにより、吸気弁閉弁時期ａ５において噴射燃料は十分に気化しておらず、気化潜熱によって気筒内の吸気温度が過剰に低下して吸気充填効率が高くなり過ぎることはなく、それにより、スロットル弁開度を減少させる必要はないためにポンピング損失が増大することはない。また、依然として、燃料噴射時期は吸気下死点近傍であるために、前述のように噴射燃料によってタンブル流Ｔを強めることができる。また、燃料噴射時に燃料噴射弁６０とピストン頂面との距離が短くなって噴射燃料がピストン頂面に衝突付着することもない。

吸気充填効率を設定値以上に高める前述の燃料噴射開始時期範囲は、吸気弁閉弁時期より４ｍｓ前から８ｍｓ前の間とすることができる。この燃料噴射開始時期範囲は、ノッキングの発生が心配されない機関低負荷の燃料噴射量範囲内の燃料噴射量において吸気充填効率が設定値以上となる燃料噴射開始時期の範囲であり、すなわち、ノッキングの発生が心配されない機関低負荷の燃料噴射量範囲内のいずれの燃料噴射量でも吸気弁閉弁時期より４ｍｓ前より遅く燃料噴射を開始すれば、吸気充填効率が設定値以上とはならず、それにより、増大させたスロットル弁開度（吸気充填効率が設定値以上とならないとして設定されたスロットル弁開度）を減少させる必要はなく、ポンピング損失が増大することはない。

本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第一実施形態を示す概略図である。 本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第二実施形態を示す概略図である。 本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第三実施形態を示す概略図である。 本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第四実施形態を示す概略図である。 本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の機関本体の概略縦断面図である。 クランク角度と吸気弁リフト量との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 機関本体
５、５’ インタークーラ
５０、５０’、５１、５２ インターヒータ
６ スロットル弁

Claims (4)

1. 吸気温度を変更するための吸気温度変更手段を備える筒内噴射式火花点火内燃機関であって、前記吸気温度変更手段により吸気温度を設定温度以上とする時には、燃料噴射開始時期を、吸気充填効率が設定値以上となる燃料噴射開始時期範囲より吸気行程において遅角側とすることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
2. 前記吸気温度変更手段は吸気加熱装置であることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
3. 前記吸気温度変更手段は吸気冷却装置であることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
4. 前記燃料噴射開始時期範囲は、吸気弁閉弁時期より５ｍｓ前から７ｍｓ前の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。

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