JP2010001830A - 筒内直接噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】直噴式エンジンにおいてシリンダ内のスワール流を強化して燃焼を促進し、燃費の改善を図る。
【解決手段】直噴式エンジンＥに特徴的な斜めスワール流がシリンダＣの圧縮行程で崩壊するときの挙動に着目し、相対的に崩壊が早くて乱れによる燃焼促進効果を得難い第１吸気ポート６ａ寄りの部位に対応して、第２点火プラグ１８を配設する。これにより混合気に点火して燃焼を促進することにより、燃焼室５全体として燃焼期間を効果的に短縮し、熱効率の向上によって燃費を改善する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、気筒内の燃焼室に燃料噴射弁により直接、燃料を噴射するとともに、これにより形成される混合気に点火して燃焼させるようにした筒内直接噴射式火花点火内燃機関に関する。

従来より、この種の筒内直接噴射式の火花点火内燃機関（以下、簡略に直噴式エンジンともいう）においては一般的に、インジェクタ（燃料噴射弁）を熱負荷の少ない吸気側の周縁部から燃焼室に臨ませて、均一燃焼とする運転状態では主に気筒の吸気行程において下降するピストンの頂面に向かい、斜め下向きに燃料を噴射させるようにしている。

また、現在、主流になっている４バルブエンジンでは気筒毎に一対の吸気ポートが隣接して設けられており、インジェクタはそれら吸気ポートの下方に配設されることから、その配置スペースを確保するために吸気ポートは比較的立ち気味に、即ち、燃焼室の天井部から比較的急な傾斜状態で斜め上向きに延びるようにレイアウトされる（例えば特許文献１の図１参照）。
特開２００８−０７０２１２号公報

ところで、一般的な直噴式エンジンのメリットとしては、気筒内の燃焼室に直接、噴射する燃料の気化熱によって吸気が冷却されることから、混合気の自着火等による異常燃焼を抑制できることが知られており、その分は気筒の圧縮比・膨張比を高く設定して、機械的な効率を高めることができる。

一方で、そうして気筒の圧縮比・膨張比を幾何学的に高く設定するためには、上死点位置における燃焼室の容積を相対的には小さくしなくてはならず、自ずとその形状が扁平化することになる。このように扁平化された燃焼室は、燃焼初期の火炎伝播速度を高くして燃焼期間の短縮により燃費の低減を図る、という観点からは不利なものである。

この点について、タンブルやスワールといった筒内流動を強化し、点火時点で燃焼室に残る乱れによって燃焼を促進することも提案されており、そのためには、できるだけ点火時期近くまで筒内流動を維持することが望ましい。タンブル流は、圧縮行程におけるピストンの上昇により潰されて比較的早く崩壊する一方、スワール流は気筒周壁に沿って旋回し比較的遅くまで維持しやすいから、このスワール流を強化するのが有効である。

そして、スワール流を強化するために、気筒毎一対の吸気ポートのうちの一方を閉じて、他方の吸気ポートのみから燃焼室に吸気を流入させる、という技術も既に一般的であり、具体的には、前記一方の吸気ポートに通じる吸気通路に絞り弁を配設して、比較的吸気流量の少なくて済む低負荷乃至低回転時にその絞り弁を閉じるようにしている。

しかしながら、上述したように直噴式エンジンでは一般的に、インジェクタの配置スペースを確保するために吸気ポートを立ち気味にレイアウトせざるを得ず、そこから燃焼室に向かう吸気の流れにおいてはタンブル成分が強くなりやすい。このため、前記絞り弁等によって一方の吸気ポートを閉ざし、他方の吸気ポートのみを吸気が流れるようにしても、これにより気筒内に生成される流動はタンブル比の大きな所謂「斜めスワール流」になってしまう。

詳しくは、まず、気筒の吸気行程において開いている一方の吸気ポートのみから燃焼室に流入する吸気の流れは、気筒軸心の周りを旋回するとともに、下降するピストンを追いかけるように気筒軸心に沿って下方に向かう螺旋状の流れになる。その後、ピストンの下降速度が低下すると流れは該ピストンの頂面に沿って上向きに指向されるようになり、前記一方の吸気ポート寄りでは下向きに、また他方の吸気ポート寄りでは上向きにそれぞれ指向しつつ、旋回するようになるのである。

本願の発明者は、前記のように気筒軸心に対して大きく傾斜する斜めスワール流が、気筒の圧縮行程にて崩壊し乱れに変わってゆく過程を注意深く観察した結果、流れが斜め下向きのところではピストンの上昇によって崩壊が早まる一方、斜め上向きのところでは、むしろその流れが維持されることを見出した。

斯かる新規な知見に基づいて本発明は、直噴式エンジンにおいて気筒内のスワール流を強化して燃焼を促進し、燃費の改善を図る場合に、圧縮行程においてスワール流が相対的に早く崩壊する部位の燃焼を促進することにより、全体として燃焼期間を十分に短縮し、熱効率の向上によって燃費の更なる改善を図ることにある。

前記の目的を達成するために本発明では、直噴式エンジンにおいて「斜めスワール流」が比較的早く崩壊し、乱れによる燃焼促進効果が得難い部位に対応して、混合気に補助的に点火するための第２の点火プラグを配設している。

具体的に請求項１の発明では、気筒内の燃焼室に燃料を直接、噴射するように燃料噴射弁が配設されている筒内直接噴射式火花点火内燃機関（直噴式エンジン）を対象として、前記気筒毎に第１及び第２の一対の吸気ポートを設けるとともに、そのうちの第２吸気ポートの流路抵抗を第１吸気ポートに比べて大きくすることが可能な流路抵抗可変手段を備え、前記第１及び第２吸気ポートは燃焼室の天井部においてクランク軸方向に並んで開口させ、それらの反対側には排気ポートを開口させ、前記燃料噴射弁は、前記吸気ポートの側から排気ポートの側に向かって燃料を噴射するように配設する。そして、前記燃焼室の天井部において中央付近に臨むように、第１の点火プラグを配設するとともに、クランク軸方向について前記第１点火プラグよりも前記第１吸気ポート寄りの部位に臨むように、第２の点火プラグを配設したものである。

前記構成の直噴式エンジンの所定の運転状態で気筒内のスワール流を強化するために、流路抵抗可変手段によって第２吸気ポートの流路抵抗が相対的に大きくされると、第１吸気ポートから燃焼室に流入する吸気の流れが相対的に強くなって、この流れが気筒周壁に沿って大きく旋回するような向きのスワール流が生成される。

但し直噴式エンジンでは、上述したように吸気流のタンブル成分が強くなりやすいので、前記のスワール流は気筒軸心に対し大きく傾斜する斜めスワール流になり、その流れが斜め上向きになる第２吸気ポート寄りの部位では崩壊が遅れる一方で、流れが斜め下向きになる第１吸気ポート寄りの部位では崩壊が早まり、点火時期までの乱れの減衰が大きくなってしまう。

これに対し前記の構成では、燃焼室中央の一般的な位置に配置される第１点火プラグに加えて、前記のように乱れの減衰が相対的に大きくて、それによる燃焼促進効果を得難い第１吸気ポート寄りの部位に対応して、第２点火プラグを配設しており、これにより混合気に点火して燃焼を促進することにより、全体として燃焼期間を効果的に短縮することができる。よって、燃費の更なる改善が図られる。

そうして第２点火プラグにより混合気に点火するタイミングは、第１点火プラグと略同時期か或いはそれよりもやや遅角側に制御するのが好ましい。こうすることで効果的に燃焼期間を短縮し、燃費を改善することができる。

また、流路抵抗可変手段としては従来までと同じく、第２吸気ポート乃至これに連通する吸気通路に絞り弁を配設すればよい。こうすれば、簡単な構造でスワール流を強化することができる。尚、絞り弁を設けることなく、例えば第２吸気ポートの吸気弁のリフトを停止したり、そのリフト量を小さくする構成とすることもできる。

さらに、燃料噴射弁は、従来までと同じく熱負荷を考慮して、第１及び第２吸気ポートの下方で且つ両者の中間位置に配設するのが好ましい。また、４バルブエンジンの場合は排気ポートも気筒毎に一対、設けられることになり、それらが燃焼室天井部においてクランク軸方向に並んで開口するようになるから、第２点火プラグは、気筒の周方向に互いに隣接する吸排気ポートの開口部間から燃焼室に臨ませればよい。

以上、説明したように本発明によれば、直噴式エンジンにおける斜めスワール流の特徴として、その流れが下向きになる第１吸気ポート寄りの部位では、圧縮行程における流れの崩壊が早くなり、乱れによる燃焼促進効果を得難くなることに着目し、当該部位に対応して設けた第２点火プラグにより補助的な点火を行って燃焼を促進するようにしたので、燃焼室全体として燃焼期間を効果的に短縮し、燃費を改善することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１は、本発明に係る直噴式エンジンＥ（筒内直接噴射式火花点火内燃機関）の概略図である。この直噴式エンジンＥは、シリンダブロック１と、このシリンダブロック１上に組み付けられるシリンダヘッド２とを備え、内部に形成される複数のシリンダＣ，Ｃ，…（気筒：図１には１つのみ示す）には、その軸心ｃ１に沿って図の上下に往復動するようにピストン３が収容されている。これらピストン３は、シリンダブロック１の下部に回転自在に支持されたクランク軸４にコネクティングロッドによって連結され、クランク軸４の長手方向（クランク軸方向）に並んでいる。

より詳しくは図２に示すように、各シリンダＣ毎に往復動するピストン３の上方に燃焼室５が形成され、その天井部５ａは、シリンダヘッド２（図２には示さず）の下面に各シリンダＣ毎に形成された窪みによって構成される。この実施形態では燃焼室天井部５ａは、吸気側及び排気側の２つの傾斜面からなる三角屋根状であり、燃焼室５は所謂ペントルーフ型である。

前記天井部５ａの２つの傾斜面には、それぞれ、燃焼室５に吸気を導入する吸気ポート６と燃焼室５から既燃ガスを排出する排気ポート７とが開口しており、それぞれに所定のタイミングで開閉する吸気弁８及び排気弁９が２個ずつ（図１には各々１個のみ示す）設けられている。図２で奥側の傾斜面には第１、第２の２つの吸気ポート６ａ，６ｂが横並びに、即ちクランク軸方向に並んで開口しており、反対側の傾斜面には第１、第２の２つ排気ポート７ａ，７ｂが同様に横並びに開口している（図の手前側に開口部のみを示す）。

図１にも示すように、一般的な直噴式エンジンの常として吸気ポート６ａ，６ｂは、燃焼室天井部５ａから比較的急傾斜で斜め上向きに延びるように、即ち立ち気味にレイアウトされており、その下方には後述の如く配設されるインジェクタ１４のためのスペースが確保されている。こうして吸気側端縁に配設するのはインジェクタ１４への熱負荷を軽減するためである。

そうして斜め上向きに延びた後に吸気ポート６ａ，６ｂは、互いに独立にシリンダヘッド２の側面に開口して、図１や図３に示すように吸気通路１０に接続されている。図３は、エンジンＥの複数のシリンダＣ，Ｃ，…（図の例では＃１〜＃４の４つのシリンダ）への吸気通路１０の連通状態を模式的に示したものであり、図の例ではサージタンク１１とシリンダＣ，Ｃ，…との間は、各吸気ポート６ａ，６ｂ毎の分岐通路１０ａ，１０ｂによって連通されている。

そして、シリンダＣ毎の分岐通路１０ａ，１０ｂのうちの一方（図２に示す＃１、＃３シリンダＣ，Ｃでは右側の第２吸気ポート６ｂに連通する分岐通路１０ｂ）には、後述のようにシリンダＣ内の流動を制御するための制御弁１２（Tuｍble Swirl Control Valve：以下、ＴＳＣＶと略称する）が配設されている。このＴＳＣＶ１２は、例えばバタフライバルブ（絞り弁）からなり、その位置の調整によって第２吸気ポート６ｂの流路面積を変更する。

この実施形態ではＴＳＣＶ１２は後述のようにＥＣＵ３０によって制御され、エンジンＥの所定の運転状態で第２吸気ポート６ｂを全閉にすることにより、吸気を第１吸気ポート６ａのみから燃焼室５に流入させて、スワール流を生成する。つまり、ＴＳＣＶ１２及びＥＣＵ３０によって、第２吸気ポート６ｂの流路抵抗を第１吸気ポート６ａに比べて大きくして、燃焼室５のスワール流を強化する流路抵抗可変手段が構成されている。

尚、図３に示すように、この実施形態の場合、＃１、＃３シリンダＣ，ＣではそれぞれＴＳＣＶ１２がエンジンＥの長手方向前側（図の右側）の吸気ポート６ｂに配設される一方、＃２、＃４シリンダＣ，ＣではＴＳＣＶ１２はエンジンＥの後側（図の左側）の吸気ポート６ｂに配設されている。

前記のように独立に設けられた一対の吸気ポート６ａ，６ｂに対し、各シリンダＣ毎の排気ポート７，７は、図１にのみ示すが、燃焼室天井部５ａの排気側傾斜面から斜め上に延びた後に一つに合流し、その後は図示の如く略水平に延びて、シリンダヘッド２の排気側の側面に開口している。この排気側の側面には各シリンダＣ毎に分岐して排気ポート７に連通するように排気マニホールド１３が接続されていて、燃焼室５から既燃ガス（排気ガス）を排出するようになっている。

また、前記のように独立に設けられている一対の吸気ポート６ａ，６ｂの下方に、それらの開口部の中間位置に噴口を臨ませて、そこから燃焼室５の略中央部に向かい（即ち、排気側に向かって）燃料を噴射するように、インジェクタ１４（燃料噴射弁）が配設されている。このインジェクタ１４は、シリンダヘッド２に形成されたインジェクタ収容孔に収容され、その基端部は、シリンダＣ，Ｃ，…に共通の燃料分配管１５（図１にのみ示す）を介して、図示しない高圧燃料ポンプや高圧レギュレータを有する燃料供給系に接続されている。そして、インジェクタ１４は、吸気行程中に燃焼室５に燃料を噴射するように制御される。

さらに、各シリンダＣ毎にシリンダヘッド２には、シリンダ軸心ｃ１に沿って延びるように第１の点火プラグ１６が配設されている。その先端の電極は、４バルブエンジンの常として天井部５ａの中央付近で燃焼室５に臨んでいる。一方、第１点火プラグ１６の基端側には、図１にのみ示すが点火コイルユニット１７が接続され、各シリンダＣ毎に所定のタイミングで通電するようになっている。

加えて、本発明の特徴としてこの実施形態では、図２にのみ示すが、同図において左側の第１吸気ポート６ａと第１排気ポート７ａの間、即ち、シリンダＣの周方向に隣接する２つの吸排気ポート６ａ，７ａの開口部間から燃焼室５に臨むように、第２の点火プラグ１８が配設されており、図示は省略するが、この第２点火プラグ１８の基端側にも点火コイルユニットが接続されている。

この第２点火プラグ１８の配置は、要するに、クランク軸方向について第１点火プラグ１６よりも第１吸気ポート６ａ寄りの部位から、燃焼室５に臨むようにしたものであり、以下に詳しく述べるように、エンジンＥの所定運転状態でＴＳＣＶ１２を閉じてスワール流を強化し燃焼促進を図る際に、そのスワール流が相対的に早く崩壊してしまい、十分な燃焼促進効果を得ることが難しい部位において、混合気に補助的に点火するためのものである。

すなわち、この実施形態の直噴式エンジンＥでは、前記したＴＳＣＶ１２の開閉作動、インジェクタ１４による燃料の噴射、第１及び第２点火プラグ１６，１８による点火等がエンジン・コントロールユニット（ＥＣＵ）３０によって制御されるようになっており、例えば図４に模式的に示すように、エンジンＥの相対的に低回転側の運転領域(Ｓ)ではＴＳＣＶ１２を閉じて「斜めスワール流」を強化することにより、燃焼を促進してその期間の短縮を図るようにしている。

図の例では、低回転側領域(Ｓ)の上縁が低回転側ほど負荷の高くなる境界線によって区画されており、例えば２０００ｒｐｍ以下では全負荷であってもＴＳＣＶ１２を閉じて、スワール流を強化する。一方、高回転側では負荷に依らずＴＳＣＶ１２は全開とし、シリンダＣへの充填効率を高めるようにしている。

前記低回転側領域(Ｓ)における燃焼について、より具体的に説明すると、この領域ではスワール流を強化するために第２吸気ポート６ｂのＴＳＣＶ１２を全閉にするため、吸気が第１吸気ポート６ａのみから燃焼室５に流入して、シリンダ周壁に沿って大きく旋回するようになる。但し、上述したように吸気ポート６ａ，６ｂが立ち気味にレイアウトされていることから、吸気の流れには比較的強いタンブル成分が含まれており、これにより所謂斜めスワール流が形成される。

詳しくは、まず図５に示すように、シリンダＣの吸気行程で吸気弁８，８が開いても、ＴＳＣＶ１２の閉じている第２吸気ポート６ｂには吸気が流れず、吸気は第１吸気ポート６ａのみから燃焼室５に流入するようになる。この吸気流は、図に矢印で示すようにシリンダ軸心ｃ１の周りを旋回しながら、下降するピストン３を追いかけるように下方に向かう螺旋状の流れになる。

その後、下死点に近づいてピストン３の下降速度が低下するにつれて、流れはピストン３の頂面に沿って上向きに指向されるようになる。インジェクタ１４からの燃料噴射が終了したシリンダＣの圧縮行程では、図６に示すように、吸気と噴射燃料との混合気の流れは、第１吸気ポート６ａ寄りでは斜め下に向かう一方、第２吸気ポート６ｂ寄りでは斜め上に向かう、所謂斜めスワール流になるのである。尚、図６は、ＣＦＤによりシミュレーションしたシリンダ内の流れ場を示しており、斜めスワール流を模式的に矢印Ｓで示している。

前記のような斜めスワール流は、図示のようにシリンダ周壁に沿って大きく旋回し、圧縮行程でもタンブル流のように潰れることなく、点火時期近傍まで維持されるものであるが、詳しく見れば、上昇するピストン３により生成される上向きの流れを受けて、斜め上向きに流れる第２吸気ポート６ｂ寄りでは崩壊が遅れる一方、斜め下向きに流れる第１吸気ポート６ａ寄りでは崩壊が早まることになる。

図７に、図６と同様のＣＦＤにより圧縮行程の中盤以降における流れ場の様子を調べた結果を示す。同図は第１点火プラグ１６の電極付近における横断面を示し、クランク軸方向（図の上下方向）で流速分布を見れば、下側の第１吸気ポート６ｂ寄りの部位において相対的に流速が低くなっていて、流れの崩壊が早いことが分かる。こうして斜めスワール流の崩壊が早いところでは、その後の乱れの減衰も早くなるので燃焼促進効果が低下してしまい、燃焼室５全体で見たときにはあまり燃焼期間を短縮できない。

この点につき、この実施形態では、前記のように乱れの減衰が早くなる第１吸気ポート６ａ寄りに第２点火プラグ１８を設けており、これにより所定のタイミングで混合気に点火しその燃焼を促進することで、燃焼室５全体で効果的に燃焼期間を短縮することができる。この実施形態では、エンジンＥの負荷や回転に応じてＥＣＵ３０により、第２点火プラグ１８による点火の時期が第１点火プラグ１６と略同時期乃至それよりもやや遅角側になるように制御される。つまり、ＥＣＵ３０は点火制御手段も構成する。

したがって、この実施形態に係る直噴式エンジンＥ（筒内直接噴射式火花点火内燃機関）によると、シリンダＣ内の燃焼室５において斜めスワール流の向きが下向きになる第１吸気ポート寄りの部位では、圧縮行程における流れの崩壊が早くなって乱れによる燃焼の促進効果を得難いことに着目し、当該部位に対応して設けた第２点火プラグ１８によって補助的に混合気に点火するようにしたので、燃焼室５の全体として燃焼期間を効果的に短縮し、燃費を改善することができる。

尚、本発明の構成は前記実施形態に限定されず、それ以外の種々の構成をも包含する。例えば、スワール流を強化するために必ずしもＴＳＣＶ１２を設けなくてもよく、第２吸気ポート６ｂの吸気弁８のリフトを停止したり、そのリフト量を小さくするように構成してもよい。

また、ＴＳＣＶ１２を分岐通路１０ｂではなく、これに連通する第２吸気ポート６ｂに設けることもできる。図４のマップに示す低回転側の領域(Ｓ)において斜めスワール流を生成するためにＴＳＣＶ１２を閉じる必要はなく、これを閉じ気味にして流路抵抗を大きくするだけでもよい。

斜めスワール流を生成する低回転側の領域(Ｓ)は図４のマップに示すものに限定されず、例えば、２０００ｒｐｍ以下でも全負荷乃至所定の高負荷状態であればＴＳＣＶ１２を開くようにしてもよい。

さらに、本発明を適用する直噴式エンジンは、前記実施形態のような４バルブのタイプに限らず、排気ポートは１つの３バルブエンジンであってもよい。この場合、第２点火プラグ１８は、前記実施形態のように燃焼室５の周縁部に臨ませなくてもよく、それよりも中央寄りに配置してもよい。

インジェクタ１４も前記実施形態のように第１、第２吸気ポート６ａ，６ｂの下方且つ中間位置に配設しなくてもよく、例えば第１吸気ポート６ａの下方寄りにずらして配置してもよい。

実施形態に係る筒内直接噴射式火花点火内燃機関の概略図である。 シリンダ内の燃焼室の構成を概略的に示す斜視図である。 ＃１〜＃４シリンダへの吸気通路の連通状態を示す模式図である。 エンジンの制御マップの概要を示す説明図である。 吸気行程でシリンダ内に生じる螺旋状の流動を示す図２相当図である。 圧縮行程におけるシリンダ内の流れ場を調べたＣＦＤの結果を示す図である。 圧縮行程の中盤以降における点火プラグ近傍の流れ場を調べたＣＦＤの結果を示す図である。

符号の説明

Ｅ 直噴式エンジン（筒内直接噴射式火花点火内燃機関）
Ｃ シリンダ
ｃ１ シリンダ軸心
２ シリンダヘッド
３ ピストン
５ 燃焼室
５ａ 天井部
６ 吸気ポート
６ａ 第１吸気ポート
６ｂ 第２吸気ポート
７ 排気ポート
１０ 吸気通路
１２ ＴＳＣＶ（絞り弁：流路抵抗可変手段）
１４ インジェクタ（燃料噴射弁）
１６ 第１点火プラグ
１８ 第２点火プラグ
３０ ＥＣＵ（流路抵抗可変手段、点火制御手段）

Claims (5)

1. 気筒内の燃焼室に燃料を直接、噴射するように燃料噴射弁が配設されている筒内直接噴射式火花点火内燃機関であって、
   気筒毎に第１及び第２の一対の吸気ポートが設けられるとともに、そのうちの第２吸気ポートの流路抵抗を第１吸気ポートに比べて大きくすることが可能な流路抵抗可変手段を備え、
   前記第１及び第２吸気ポートが燃焼室の天井部においてクランク軸方向に並んで開口するとともに、それらの反対側に排気ポートが開口し、
   前記燃料噴射弁は、前記吸気ポートの側から排気ポートの側に向かって燃料を噴射するように設けられ、
   前記燃焼室の天井部における中央付近に臨むように、第１の点火プラグが配設されるとともに、クランク軸方向について前記第１点火プラグよりも前記第１吸気ポート寄りの部位に臨むように、第２の点火プラグが配設されていることを特徴とする筒内直接噴射式火花点火内燃機関。
2. 流路抵抗可変手段は、第２吸気ポート乃至これに連通する通路に配設された絞り弁を含む、請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関。
3. 燃料噴射弁は、第１及び第２吸気ポートの下方で且つ両者の中間位置に配設されている、請求項１又は２のいずれかに記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関。
4. 気筒毎一対の排気ポートが燃焼室天井部においてクランク軸方向に並んで開口し、
   第２点火プラグは、気筒の周方向に互いに隣接する吸排気ポートの開口部間から燃焼室に臨んでいる、請求項１〜３のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関。
5. 第１点火プラグと略同時乃至それよりも遅角側で第２点火プラグに点火する点火制御手段が設けられている、請求項１〜４のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関。