JP2010077825A - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】スリット状噴孔を備え燃焼室内に扇形状の燃料噴霧を形成する燃料噴射弁を具備した筒内噴射式火花点火内燃機関において、機関の運転状態に応じた燃料噴霧の制御、特に、縮流抑制の制御を行う。
【解決手段】スリット状噴孔２８を備え燃焼室５内に扁平な扇形状の燃料噴霧を形成する燃料噴射弁１８を具備した筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴霧３５の扇形の中心角αの広がりを規制するスリット状噴孔内の２つの側壁面２８ａ側の噴孔入口縁部近傍に、噴孔入口縁部と平行に固定された回転軸３０ａと、一端が回転軸３０ａに接続され回転軸３０ａ回りに回動可能な板状部材３０ｂとを有する燃料流れ制御弁３０をそれぞれ配置し、燃料噴射時、板状部材３０ｂの回動位置を制御し、板状部材３０ｂ表面に沿う燃料流れを噴孔の噴射中心軸線Ｘに対して偏向させながらスリット状噴孔２８内に流入させる。
【選択図】図３

Description

本発明は筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。

燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた筒内噴射式火花点火内燃機関において、噴射された燃料噴霧の内側（即ち、噴孔の噴射中心軸線近傍）の圧力が低く、燃料噴霧の外側の圧力が高い場合、その圧力差によって、燃料噴霧が内側に引き込まれて縮む場合がある（以下、このように燃料噴霧が内側に引き込まれて縮むことを「縮流」という）。縮流の発生とその程度は、機関の運転状態（主に筒内圧力）に応じて変化する。意図しない縮流の発生は、意図しない燃料噴霧の挙動を生じさせ、燃焼状態に悪影響を及ぼすため好ましいことではない。

そこで、ホローコーン状に燃料を燃焼室内に噴射する内開式の燃料噴射弁を備えた筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射弁の燃料噴孔近傍に燃料噴霧案内用の壁面を設け、燃料噴霧を該壁面に沿って移動させることによって燃料噴霧が縮流することを抑制した筒内噴射式火花点火内燃機関が公知である（特許文献１参照）。

特開２００５−２０１０６２号公報

しかしながら、この筒内噴射式火花点火内燃機関では、縮流抑制の効果は燃料噴霧案内用の壁面の形状に依存するため、機関の運転状態に応じた燃料噴霧の制御、特に、縮流抑制の制御をすることが難しいという問題がある。

ところで、こうした縮流抑制の制御の必要性は、スリット状噴孔を備え燃焼室内に扁平な扇形状の燃料噴霧を形成する燃料噴射弁を具備した筒内噴射式火花点火内燃機関においても同様に存在する。これに関し、図１３を参照しながら簡単に説明する。図１３は燃焼室頂部から見た燃焼室内の燃料噴霧の広がりを示す概略図である。５は燃焼室、６は吸気弁、８は排気弁、１８は燃料噴射弁を示す。破線で示す低筒内圧下における燃料噴霧３５ａに比べ、実線で示す高筒内圧下における燃料噴霧３５ｂは、その扇形の中心角αが小さく、縮流してしまっていることが分かる。縮流が発生した結果、燃料噴霧が集中して燃焼室内を進行するため、貫徹力（ペネトレーション）が大きくなり、例えば、ピストンに形成されたボアへの燃料付着による排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）の増大等の問題が生じる。

そこで本発明は、スリット状噴孔を備え燃焼室内に扇形状の燃料噴霧を形成する燃料噴射弁を具備した筒内噴射式火花点火内燃機関において、機関の運転状態に応じた燃料噴霧の制御、特に、縮流抑制の制御を行う筒内噴射式火花点火内燃機関を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために請求項１に記載の発明によれば、スリット状噴孔を備え燃焼室内に扁平な扇形状の燃料噴霧を形成する燃料噴射弁を具備した筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴霧の扇形の中心角の広がりを規制するスリット状噴孔内の２つの側壁面側の噴孔入口縁部近傍に、該噴孔入口縁部と平行に固定された回転軸と、一端が該回転軸に接続され該回転軸回りに回動可能な板状部材とを有する燃料流れ制御弁をそれぞれ配置し、燃料噴射時、前記板状部材の回動位置を制御し、前記板状部材表面に沿う燃料流れを噴孔の噴射中心軸線に対して偏向させながらスリット状噴孔内に流入させる筒内噴射式火花点火内燃機関が提供される。

即ち、請求項１に記載の発明では、板状部材の回動位置を制御することによって、スリット状噴孔内に流入する燃料流れを噴孔の噴射中心軸線に対して偏向させ、スリット状噴孔内に燃料流れの偏りが形成される。スリット状噴孔内における燃料流れの偏りは、結果として噴射される燃料噴霧を偏らせるので、運転状態に応じた噴射される燃料噴霧の形状や噴射方向等を制御することが可能となる。

また、請求項２に記載の発明によれば請求項１に記載の発明において、燃料噴射時の筒内圧が高いほど、前記板状部材が前記回転軸に対して板状部材表面に沿う燃料流れの上流側に配置され且つ前記板状部材表面に沿う燃料流れの方向が噴孔の噴射中心軸線と平行に近づくように前記板状部材の回動位置を制御する筒内噴射式火花点火内燃機関が提供される。

即ち、請求項２に記載の発明では、燃料噴射時の筒内圧が高いほど、板状部材表面に沿う燃料流れの方向が噴孔の噴射中心軸線と平行に近づくように燃料流れ制御弁を制御することによって、燃料流れ制御弁の下流端である回転軸近傍における板状部材表面に沿う燃料流れの剥離量が小さくなる。剥離量が小さいと、側壁面方向に回りこんで流入する燃料流れであって側壁面近傍を流れる燃料流れの流速の減衰が少なく、燃料流れ制御弁を有さない従来の燃料噴射弁に比べてその流速が速くなり、縮流が抑制される。即ち、燃料噴霧の外側部分を形成する側壁面近傍を流れる燃料流れの流速を速めることによって、外側の燃料噴霧を内側に引き込もうとする力に抗して燃料噴霧が直進することが可能となり、その結果縮流が抑制される。

また、請求項３に記載の発明によれば請求項２に記載の発明において、前記２つの燃料流れ制御弁の板状部材を互いに異なる回動位置に制御し、燃料流れをスリット状噴孔内に偏って流入させる筒内噴射式火花点火内燃機関が提供される。

即ち、請求項３に記載の発明では、２つの燃料流れ制御弁の板状部材を互いに異なる回動位置に制御することによって、スリット状噴孔内に流入する燃料流れを偏らせ、結果として噴射される燃料噴霧も偏って噴射させる。それによって、燃焼室内にスワールを形成することができ、またその強化をすることも可能となる。

また、請求項４に記載の発明によれば請求項１に記載の発明において、前記板状部材が前記回転軸に対して板状部材表面に沿う燃料流れの下流側に配置され且つ前記板状部材表面に沿う燃料流れの方向が噴孔の噴射中心軸線方向を向くように前記板状部材の回動位置を制御する筒内噴射式火花点火内燃機関が提供される。

即ち、請求項４に記載の発明では、板状部材表面に沿う燃料流れの方向が噴孔の噴射中心軸線方向を向くように板状部材の回動位置を制御することによって、スリット状噴孔内の噴孔の噴射中心軸線近傍に燃料流れを集中させ、結果として噴射される燃料噴霧も中心角が小さい扇形状となる。そのため、燃料噴霧の貫徹力が大きくなり、タンブルを形成することができると共にその強化をすることも可能となる。

各請求項に記載の発明によれば、スリット状噴孔を備え燃焼室内に扇形状の燃料噴霧を形成する燃料噴射弁を具備した筒内噴射式火花点火内燃機関において、機関の運転状態に応じた燃料噴霧の制御を行うことができるという共通の効果を奏する。

図１を参照しながら本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関について説明する。図１において、１は例えば四つの気筒を備えた機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は吸気弁、７は吸気通路、８は排気弁、９は排気通路、１０は点火栓をそれぞれ示す。吸気通路７は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介してエアクリーナ１４に連結される。吸気ダクト１３内には吸入空気流量を検出するためのエアフローメータ１５と、ステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７とが配置される。また、燃焼室５内には燃焼室５内に燃料を噴射する電気制御式の燃料噴射弁１８が配置される。

一方、排気通路９は排気枝管１９を介して小容量の三元触媒２０に連結される。機関本体１には機関冷却水温を検出するための水温センサ２１が取り付けられ、シリンダヘッド３には、燃焼室５の気筒内圧を検出するための筒内圧センサ２２が取り付けられる。

電子制御ユニット（ＥＣＵ）４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５及び出力ポート４６を具備する。アクセルペダル４９にはアクセルペダル４９の踏み込み量を検出するための負荷センサ５０が接続される。ここで、アクセルペダル４９の踏み込み量は要求負荷を表している。

エアフローメータ１５、水温センサ２１、筒内圧センサ２２、及び負荷センサ５０の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５１が接続される。ＣＰＵ４４ではクランク角センサ５１の出力パルスに基づいて機関回転数が算出される。一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して点火栓１０、ステップモータ１６、及び燃料噴射弁１８にそれぞれ接続され、これらは電子制御ユニット４０からの出力信号に基づいて制御される。

図２は、燃料噴射弁１８先端部の概略縦断面図である。図２において、２５はニードル弁、２６は噴射弁本体、２７は球状壁面２７ａによって形成されたサック部、２８はスリット状に形成されたスリット状噴孔、３０はスリット状噴孔２８内に流入する燃料流れの方向を制御する燃料流れ制御弁を示す。燃料流れ制御弁３０について、次に図３及び図４を参照しながら説明する。

図３は図２の線Ａ−Ａにおける断面図を示し、図４はサック部２７方向から見たスリット状噴孔２８の入口部分を示す。燃料流れ制御弁３０は、燃料噴霧が形成する扇形の中心角αの広がりを規制するスリット状噴孔２８内の２つの側壁面２８ａ側の噴孔入口縁部近傍に、噴孔入口縁部と平行に固定された回転軸３０ａと、一端が該回転軸３０ａに接続され該回転軸回りに回動可能な板状部材３０ｂとを有し、図示しないアクチュエータによって板状部材３０ｂの回動位置が制御される。出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して燃料流れ制御弁３０のアクチュエータにも接続され、電子制御ユニット４０からの出力信号に基づいて制御される。板状部材３０ｂの回動位置は、図３に示すように、板状部材３０ｂの平面とそれが配設された縁部を含む側壁面２８ａとが成す角を剥離角θと称すると、この剥離角θを用いてアクチュエータによって段階的又は無段階的に制御される。

板状部材３０ｂの回動位置は、板状部材３０ｂの先端がサック部２７の球状壁面２７ａに当接する剥離角θが最大のθｍａｘから剥離角θが零、即ち、板状部材３０ｂの平面と側壁面２８ａとが同一面となる位置の間で制御されるが、場合によっては、剥離角θがマイナス方向に、例えば、板状部材３０ｂがスリット状噴孔２８内に入るようにも制御可能である。

ところで、上述のように、縮流は、燃料噴霧の内側（即ち、噴孔の噴射中心軸線Ｘ近傍の燃料流れによって噴射される燃料噴霧）の圧力が低く、燃料噴霧の外側（即ち、側壁面２８ａ近傍の燃料流れによって噴射される燃料噴霧）の圧力が高い場合、その圧力差によって、燃料噴霧が内側に引き込まれて縮むことによって発生する。そのため、縮流は、燃料噴霧の外側の圧力が高いため圧力差が大きくなるような、筒内圧が高い状況下において発生しやすい。

そこで、本発明では、燃料流れ制御弁３０を用いて側壁面２８ａ近傍の燃料噴霧の流量を増やし、即ち燃料流れの流速を速めることによって、内側に引き込もうとする力に抗して燃料噴霧が直進するようにし、縮流を抑制するようにしている。以下、側壁面２８ａ近傍の燃料流れの流速を速める方法について説明する。

図５及び図６は、図３と同じ図２の線Ａ−Ａにおける断面図であり、図中、サック部２７からスリット状噴孔２８内に延びる矢印は燃料の流れを示す。まず、図５は低筒内圧下における板状部材３０ｂの回動位置を示す。筒内圧が低い状況下においては、上述のような燃料噴霧の内側と外側との圧力差が小さく、縮流がほとんど発生しない。従って、板状部材３０ｂの回動位置は、噴孔の噴射中心軸線Ｘ近傍と外側の側壁面２８ａ近傍から噴射された燃料噴霧を全体として均一にするため、剥離角θが大きくなるように、例えば燃料流れ制御弁３０の先端がサック部２７の球状壁面２７ａに当接する剥離角θｍａｘとなるように制御される。この場合、側壁面２８ａ近傍の燃料流れは、図５に示すように、燃料流れ制御弁３０の下流端部で剥離した燃料流れが、側壁面方向に回り込むことによって形成される。

一方、図６は高筒内圧下における板状部材３０ｂの回動位置を示す。筒内圧が高い状況下においては、上述のように縮流が発生する。そこで、板状部材３０ｂの回動位置は、剥離角θがより小さくなるように制御される。即ち、剥離角θが小さいと、側壁面２８ａ近傍の燃料流れを形成する剥離した燃料流れの回り込み量が少なくて済み、剥離角θが大きい場合に比べてその流れの流速の減衰が少ない。従って、剥離角θが小さい場合には、側壁面２８ａ近傍の燃料流れの流速は、剥離角θが大きい場合に比べて速く、その燃料流れによって噴射された外側の燃料噴霧は、内側に引き込もうとする力に抗して直進することが可能となり、縮流の抑制が可能となる。

図７は圧縮行程中の燃料噴射時期と剥離角θとの関係を示す図である。図７を参照すると、燃料噴射時期が圧縮上死点（ＴＤＣ）側になるにつれ、即ち遅角側になるにつれ、剥離角θが小さく設定される。これは、燃料噴射時期が遅角側になるほど、筒内圧が高くなるため縮流が発生しやすくなる。そこで、剥離角θを大きくすることによって、側壁面２８ａ近傍の流量を増やすようにしている。なお、この場合において、剥離角θはθｍｉｎより小さくなることはなく、剥離角θｍｉｎは、燃料噴霧の内側の燃料の密度が薄くなりすぎないように決定される。一方、燃料噴射時期の圧縮下死点（ＢＤＣ）側については、剥離角θｍａｘより大きくなることは、構造上当然にない。図７に示す関係は、予め実験又は計算によって求めＲＯＭ４２に保存する。

図８は、スロットル弁１７の開度や、排気ガス再循環ガスの導入によって変化した吸入空気量の変化による筒内圧の変化に応じて、変化する燃料噴射時期と剥離角θとの関係を示す図である。これは、筒内圧が変化する要因として、図７に示す燃料噴射時期以外の要因も考慮し、筒内圧と燃料噴射時期とに応じて剥離角θを決定している。筒内圧が低いほど、燃料噴射時期と剥離角θとの関係を示す直線の傾きの絶対値は大きくなる。図８に示す関係は、予め実験又は計算によって求めＲＯＭ４２に保存する。

図９は、図３と同じ図２の線Ａ−Ａにおける断面図であり、燃料流れ制御弁３０を応用した実施形態を示す。図９に示す実施形態によれば、２つの板状部材３０ｂのうちいずれか一方の剥離角θ（例えば、図９においては左側の燃料流れ制御弁３０の剥離角θ）を他方に比べて小さくすることによって、燃料流れをスリット状噴孔２８内で偏らせ、結果として、噴射された燃料噴霧を一方に偏向させることが可能となる。図１０は燃焼室頂部から見た燃焼室内の燃料噴霧の広がりを示す概略図であり、図９に示す実施形態によって噴射された偏向された燃料噴霧３５を示す。このように、燃料噴霧３５を偏向させることによって、矢印に示すような燃焼室５内にスワールＳを形成すると共にそれを強化することが可能となる。２つの板状部材３０ｂの異なる剥離角θとスワールの強さとの関係は、予め実験又は計算によって求めＲＯＭ４２に保存する。

図１１は、図３と同じ図２の線Ａ−Ａにおける断面図であり、燃料流れ制御弁３０を応用した別の実施形態を示す。図１１に示す実施形態によれば、２つの燃料流れ制御弁３０の板状部材３０ｂ両方が、スリット状噴孔２８内に入るように制御される。即ち、剥離角θがマイナスの値であって、且つ、燃料流れが上述のその他の実施形態とは異なる板状部材３０ｂの表面（即ち、裏面）に沿って流れるような回動位置に板状部材３０ｂが制御される。このように板状部材３０ｂを配置することによって、燃料噴霧３５の扇形の中心角αが小さく燃料流れが噴孔の噴射中心軸線Ｘ近傍に集中し、燃料噴霧の貫徹力が増大する。図１２は燃焼室頂部から見た燃焼室内の燃料噴霧の広がりを示す概略図であり、図１１に示す実施形態によって噴射された噴孔の噴射中心軸線Ｘ近傍に集中した燃料噴霧３５を示し、貫徹力が増大していることを示している。このように、燃料噴霧３５を集中されることによって、タンブルを形成すると共にそれを強化することが可能となる。剥離角θとタンブルの強さとの関係は、予め実験又は計算によって求めＲＯＭ４２に保存する。

筒内噴射式火花点火内燃機関の全体図である。 燃料噴射弁先端部の概略縦断面図である。 図２の線Ａ−Ａにおける断面図である。 サック部方向から見たスリット状噴孔の入口部分を示す。 図２の線Ａ−Ａにおける断面図であり、低筒内圧下における燃料流れ制御弁の配置を示す図である。 図２の線Ａ−Ａにおける断面図であり、高筒内圧下における燃料流れ制御弁の配置を示す図である。 燃料噴射時期と剥離角との関係を示す図である。 筒内圧の変化に応じた燃料噴射時期と剥離角との関係を示す図である。 図２の線Ａ−Ａにおける断面図であり、燃料流れ制御弁を応用した実施形態を示す。 図９に示す実施形態における、燃焼室頂部から見た燃焼室内の燃料噴霧の広がりを示す概略図である。 図２の線Ａ−Ａにおける断面図であり、燃料流れ制御弁を応用した実施形態を示す。 図１１に示す実施形態における、燃焼室頂部から見た燃焼室内の燃料噴霧の広がりを示す概略図である。 従来の燃料噴射弁による縮流を示すための、燃焼室頂部から見た燃焼室内の燃料噴霧の広がりを示す概略図である。

符号の説明

１８ 燃料噴射弁
２７ サック部
２８ スリット状噴孔
２８ａ 側壁面
３０ 燃料流れ制御弁
３０ａ 回転軸
３０ｂ 板状部材

Claims (4)

1. スリット状噴孔を備え燃焼室内に扁平な扇形状の燃料噴霧を形成する燃料噴射弁を具備した筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴霧の扇形の中心角の広がりを規制するスリット状噴孔内の２つの側壁面側の噴孔入口縁部近傍に、該噴孔入口縁部と平行に固定された回転軸と、一端が該回転軸に接続され該回転軸回りに回動可能な板状部材とを有する燃料流れ制御弁をそれぞれ配置し、燃料噴射時、前記板状部材の回動位置を制御し、前記板状部材表面に沿う燃料流れを噴孔の噴射中心軸線に対して偏向させながらスリット状噴孔内に流入させる筒内噴射式火花点火内燃機関。
2. 燃料噴射時の筒内圧が高いほど、前記板状部材が前記回転軸に対して板状部材表面に沿う燃料流れの上流側に配置され且つ前記板状部材表面に沿う燃料流れの方向が噴孔の噴射中心軸線と平行に近づくように前記板状部材の回動位置を制御する請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
3. 前記２つの燃料流れ制御弁の板状部材を互いに異なる回動位置に制御し、燃料流れをスリット状噴孔内に偏って流入させる請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
4. 前記板状部材が前記回転軸に対して板状部材表面に沿う燃料流れの下流側に配置され且つ前記板状部材表面に沿う燃料流れの方向が噴孔の噴射中心軸線方向を向くように前記板状部材の回動位置を制御する請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。

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