JP4840242B2

JP4840242B2 - 筒内噴射式火花点火内燃機関

Info

Publication number: JP4840242B2
Application number: JP2007113348A
Authority: JP
Inventors: 剛芦澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-04-23
Filing date: 2007-04-23
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2027-04-23
Also published as: JP2008267318A

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気筒内の排気ポート側を下降して吸気ポート側を上昇するタンブル流を形成し、このタンブル流を圧縮行程後半まで持続させてピストンにより押し潰せば、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、この乱れによって均質混合気の燃焼速度が高まり良好な均質燃焼を実現することができる。

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、そのままでは減衰により圧縮行程前半には消滅してしまう。タンブル流を圧縮行程後半まで持続させるために、気筒内へ噴射される燃料によりタンブル流を強めることが考えられるが、噴射燃料の全てがタンブル流を良好に強める方向にだけ噴射されると、噴射燃料が気筒内において偏在することとなるために良好な均質混合気を形成することが難しくなる。

良好な均質混合気を形成するためには、複数の噴孔を有する燃料噴射弁により気筒内全体に燃料を噴射するようにすることが好ましい（例えば、特許文献１参照）。

特表２００３−５３４４８５特表２００４−５１９６０５

しかしながら、このように単に気筒内全体に燃料を噴射するようにしたのでは、噴射燃料によりタンブル流を良好に強めることができない。

従って、本発明の目的は、燃料噴射弁により気筒内へ直接的に噴射される燃料によって気筒内に良好な均質混合気を形成すると共にタンブル流を効率的に強めることができる筒内噴射式火花点火内燃機関を提供することである。

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、複数の噴孔を有して気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、前記燃料噴射弁は気筒上部略中心に配置され、均質燃焼時に吸気下死点近傍において前記燃料噴射弁の前記複数の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の広範囲に向けて噴射される燃料により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、前記燃料噴射弁の複数の噴射方向における互いに隣接する二つの噴射方向の間の平面視における角度は、タンブル流の旋回方向と平行な気筒中心縦平面の最も近くで互いに隣接する二つの噴射方向の間において最も小さい第一角度とされ、前記第一角度の少なくとも一部を含む前記気筒中心縦平面の一方側における互いに隣接する二つの噴射方向の間の平面視における角度は、前記気筒中心縦平面の最も遠くで互いに隣接する二つの噴射方向の間において最も大きい第二角度とされ、前記第一角度は前記第二角度より小さくされてい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、複数の噴孔を有して気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、前記燃料噴射弁は気筒上部周囲の吸気弁側に配置され、均質燃焼時に吸気行程において前記燃料噴射弁の前記複数の噴孔からシリンダボアの排気ポート側上部の広範囲に向けて噴射される燃料により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、前記燃料噴射弁の複数の噴射方向における互いに隣接する二つの噴射方向の間の平面視における角度は、タンブル流の旋回方向と平行な気筒中心縦平面の最も近くで互いに隣接する二つの噴射方向の間において最も小さい第一角度とされ、前記第一角度の少なくとも一部を含む前記気筒中心縦平面の一方側における互いに隣接する二つの噴射方向の間の平面視における角度は、前記気筒中心縦平面の最も遠くで互いに隣接する二つの噴射方向の間において最も大きい第二角度とされ、前記第一角度は前記第二角度より小さくされてい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は、燃料噴射弁が気筒上部略中心に配置され、均質燃焼時に吸気下死点近傍において燃料噴射弁の複数の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の広範囲に向けて噴射される燃料によりタンブル流を強める筒内噴射式火花点火内燃機関であるために、このように広範囲に噴射される燃料によって気筒内に良好な均質混合気を形成することができる。また、気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁の複数の噴射方向における互いに隣接する二つの噴射方向の間の平面視における角度は、タンブル流の旋回方向と平行な気筒中心縦平面の最も近くで互いに隣接する二つの噴射方向の間において最も小さい第一角度とされ、第一角度の少なくとも一部を含む気筒中心縦平面の一方側における互いに隣接する二つの噴射方向の間の平面視における角度は、気筒中心縦平面の最も遠くで互いに隣接する二つの噴射方向の間において最も大きい第二角度とされ、第一角度は第二角度より小さくされているために、例えば、隣接する二つの噴射方向の間の角度をいずれも等しくする場合に比較して、気筒中心縦平面から最も遠い噴射方向と気筒中心縦平面に平行な噴射方向とを除き、各燃料の噴射方向がタンブル流の旋回方向に対する平行側へ近づけられ、それにより、各噴射方向の燃料によりタンブル流を効率的に強めることができる。

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、燃料噴射弁が気筒上部周囲の吸気弁側に配置され、均質燃焼時に吸気行程において燃料噴射弁の複数の噴孔からシリンダボアの排気ポート側上部の広範囲に向けて噴射される燃料によりタンブル流を強める筒内噴射式火花点火内燃機関であるために、このように広範囲に噴射される燃料によって気筒内に良好な均質混合気を形成することができる。また、気筒上部周囲の吸気弁側の配置された燃料噴射弁の複数の噴射方向における互いに隣接する二つの噴射方向の間の平面視における角度は、タンブル流の旋回方向と平行な気筒中心縦平面の最も近くで互いに隣接する二つの噴射方向の間において最も小さい第一角度とされ、第一角度の少なくとも一部を含む気筒中心縦平面の一方側における互いに隣接する二つの噴射方向の間の平面視における角度は、気筒中心縦平面の最も遠くで互いに隣接する二つの噴射方向の間において最も大きい第二角度とされ、第一角度は第二角度より小さくされているために、例えば、隣接する二つの噴射方向の間の角度をいずれも等しくする場合に比較して、気筒中心縦平面から最も遠い噴射方向と気筒中心縦平面に平行な噴射方向とを除き、各燃料の噴射方向がタンブル流の旋回方向に対する平行側へ近づけられ、それにより、各噴射方向の燃料によりタンブル流を効率的に強めることができる。

図１は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第一実施形態を示す概略縦断面図であり、均質燃焼のための燃料噴射時期である吸気下死点近傍を示している。同図において、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り、２は燃料噴射弁１の吸気弁側近傍に配置された点火プラグである。３は一対の吸気ポートであり、４は一対の排気ポートであり、５はピストンである。

本実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関は、燃料噴射弁１により吸気下死点近傍（例えば、燃料噴射終了クランク角度を吸気下死点近傍とするように燃料噴射量に応じて燃料噴射開始クランク角度を設定するか、又は、燃料噴射量に関係なく吸気行程後半に燃料噴射開始クランク角度を設定する）に気筒内へ直接的に燃料を噴射することにより、圧縮行程末期の点火時期には気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を火花点火させて均質燃焼を実施する。

燃料噴射弁１は複数の噴孔を有し、各噴孔から噴射される燃料Ｆは、図１に示すように、斜め下方向にシリンダボアの排気ポート側下部又はピストンの排気ポート側周囲部へ向けて噴射される。燃料噴射弁１から噴射される燃料の貫徹力は、燃料噴射開始から１ｍｓ後の燃料先端が６０ｍｍ以上に達するように設定される。

このように強い貫徹力の燃料Ｆが気筒上部略中心から前述のように斜め下方向に噴射されると、気筒内の排気ポート側を下降して吸気ポート側を上昇するように気筒内に形成されたタンブル流Ｔを燃料の貫徹力により強めることができる。こうして強められたタンブル流Ｔは、圧縮行程後半まで確実に気筒内に持続してピストン５により押し潰され、圧縮行程末期の点火時期には気筒内に乱れを存在させるために、燃焼速度の速い良好な均質燃焼を実現することができる。

図２は、図１の筒内噴射式火花点火内燃機関の平面図である。燃料噴射弁１は、複数の噴孔として、例えば７つの噴孔を有し、矢印で示す各噴孔の噴射方向（Ｄ１からＤ７）は、吸気下死点近傍のピストン５に対して、一点鎖線で示したピストン頂面の排気ポート側周囲部Ａ（又は、シリンダボアの排気ポート側下部）の広範囲に向けられる。このように、燃料噴射弁１から気筒内の排気ポート側全体へ燃料が噴射されることにより、各噴射燃料は、タンブル流Ｔによって気筒中心縦平面Ｐと平行に気筒内を全体的に旋回し、気筒内全体に良好な均質混合気を形成することができる。

気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁１の複数の噴射方向における互いに隣接する二つの噴射方向の間の平面視（燃料噴射弁の噴孔より上側から気筒中心軸線方向下側を見た場合）における角度を、例えば、いずれも等しくすると、気筒内全体に良好な均質混合気を形成することはできても、良好にタンブル流を強めることができなくなる。

本実施形態では、気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁１の複数の噴射方向（Ｄ１からＤ７）における互いに隣接する二つの噴射方向の間の平面視における角度は、タンブル流の旋回方向と平行な気筒中心縦平面Ｐの最も近くで互いに隣接する二つの噴射方向（Ｄ３及びＤ４）の間において最も小さい第一角度ａとされ、第一角度ａの少なくとも一部を含む気筒中心縦平面の一方側における互いに隣接する二つの噴射方向の間の平面視における角度は、気筒中心縦平面の最も遠くで互いに隣接する二つの噴射方向（Ｄ１及びＤ２）の間において最も大きい第二角度ｃとされ、第一角度ａは第二角度ｃより小さくされている。燃料噴射弁１の複数の噴射方向は、平面視において、気筒中心縦平面Ｐに対して対称とされることが好ましい。

ここで、第一角度ａ及び第二角度ｃ以外の角度ｂ（存在しなくても良いし、複数存在しても良い）に関しては、第一角度ａが最も小さく、第二角度ｃが最も大きくなっていれば良く、すなわち、角度ｂは第一角度ａ以上で第二角度ｃ以下であれば良く、例えば、第一角度ａと同じでも、又は、第二角度ｃと同じでも良い。

また、好ましくは、気筒中心縦平面Ｐの他方側における互いに隣接する二つの噴射方向の間の平面視における角度は、気筒中心縦平面Ｐの最も近くで互いに隣接する二つの噴射方向（Ｄ４及びＤ５）の間において最も小さい角度ａとされ、気筒中心縦平面の最も遠くで互いに隣接する二つの噴射方向（Ｄ６及びＤ７）の間において最も大きい角度ｃとされ、角度ａは角度ｃより小さくされる。本実施形態において、これらの角度ａ及びｃは、前述の第一角度ａ及び第二角度ｃと等しくしたが、これは本発明を限定するものではない。

このような構成により、気筒中心縦平面Ｐから最も遠い噴射方向（Ｄ１及びＤ７）と気筒中心縦平面に平行な噴射方向（Ｄ４）とを除き、各燃料の噴射方向（Ｄ２、Ｄ３、Ｄ５、Ｄ６）がタンブル流の旋回方向に対する平行側へ近づけられ、それにより、各噴射方向の燃料によりタンブル流Ｔを効率的に強めることができる。また、気筒中心縦平面Ｐと平行な平面により等間隔で気筒内を複数の領域に分割して考えた場合において、本実施形態の構成では、気筒中心縦平面Ｐから遠い領域ほど到達する燃料量が少なくなるが、気筒中心縦平面Ｐから遠い領域ほど容積が小さくなっているために、混合気の均質性とって特に問題とはならない。

図３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縦断面図であり、均質燃焼のための燃料噴射時期である吸気下死点近傍を示している。同図において、１’は気筒上部周囲の吸気弁側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り、２’は気筒上部略中心に配置された点火プラグである。３は一対の吸気ポートであり、４は一対の排気ポートであり、５はピストンである。

本実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関は、燃料噴射弁１’により吸気下死点近傍（例えば、燃料噴射終了クランク角度を吸気下死点近傍とするように燃料噴射量に応じて燃料噴射開始クランク角度を設定するか、又は、燃料噴射量に関係なく吸気行程後半に燃料噴射開始クランク角度を設定する）に気筒内へ直接的に燃料を噴射することにより、圧縮行程末期の点火時期には気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を火花点火させて均質燃焼を実施する。また、本実施形態では、吸気行程において吸気下死点近傍より早期に燃料噴射を実施するようにしても良い。

燃料噴射弁１’は複数の噴孔を有し、各噴孔から噴射される燃料Ｆは、図３に示すように、ほぼ水平方向又は僅かに斜め下方向にシリンダボアの排気ポート側上部へ向けて噴射される。燃料噴射弁１’から噴射される燃料の貫徹力は、燃料噴射開始から１ｍｓ後の燃料先端が６０ｍｍ以上に達するように設定される。

このように強い貫徹力の燃料Ｆが気筒上部周囲の吸気弁側から前述のようにほぼ水平方向又は僅かに斜め下方向に噴射されると、気筒内の排気ポート側を下降して吸気ポート側を上昇するように気筒内に形成されたタンブル流Ｔを燃料の貫徹力により強めることができる。こうして強められたタンブル流Ｔは、圧縮行程後半まで確実に気筒内に持続してピストン５により押し潰され、圧縮行程末期の点火時期には気筒内に乱れを存在させるために、燃焼速度の速い良好な均質燃焼を実現することができる。

図４は、図３の筒内噴射式火花点火内燃機関の平面図である。燃料噴射弁１’は、複数の噴孔として、例えば６つの噴孔を有し、矢印で示す各噴孔の噴射方向（Ｄ１’からＤ６’）は、シリンダボアの排気ポート側上部の広範囲に向けられる。このように、燃料噴射弁１’から気筒内の排気ポート側全体へ燃料が噴射されることにより、各噴射燃料は、タンブル流Ｔによって気筒中心縦平面Ｐと平行に気筒内を全体的に旋回し、気筒内全体に良好な均質混合気を形成することができる。

本実施形態では、気筒上部周囲の吸気弁側に配置された燃料噴射弁１’の複数の噴射方向（Ｄ１’からＤ６’）における互いに隣接する二つの噴射方向の間の平面視における角度は、タンブル流の旋回方向と平行な気筒中心縦平面Ｐの最も近くで互いに隣接する二つの噴射方向（Ｄ３’及びＤ４’）において最も小さい第一角度ａ’とされ、第一角度ａ’の少なくとも一部を含む気筒中心縦平面Ｐの一方側における互いに隣接する二つの噴射方向の間の平面視における角度は、気筒中心縦平面の最も遠くで互いに隣接する二つの噴射方向（Ｄ１’及びＤ２’）の間において最も大きい第二角度ｃ’とされ、第一角度ａ’は第二角度ｃ’より小さくされている。燃料噴射弁１’の複数の噴射方向は、平面視において、気筒中心縦平面Ｐに対して対称とされることが好ましい。

ここで、第一角度ａ’及び第二角度ｃ’以外の角度ｂ’（存在しなくても良いし、複数存在しても良い）に関しては、第一角度ａ’が最も小さく、第二角度ｃ’が最も大きくなっていれば良く、すなわち、角度ｂ’は第一角度ａ’以上で第二角度ｃ’以下であれば良く、例えば、第一角度ａ’と同じでも、又は、第二角度ｃ’と同じでも良い。

また、好ましくは、気筒中心縦平面Ｐの他方側における互いに隣接する二つの噴射方向の間の平面視における角度は、気筒中心縦平面Ｐの最も近くで互いに隣接する二つの噴射方向（Ｄ３’及びＤ４’）の間において最も小さい第一角度ａ’とされ、気筒中心縦平面Ｐの最も遠くで互いに隣接する二つの噴射方向（Ｄ５’及びＤ６’）の間において最も大きい角度ｃ’とされ、第一角度ａ’は角度ｃ’より小さくされる。本実施形態において、角度ｃ’は、前述の第二角度ｃ’と等しくしたが、これは本発明を限定するものではない。

このような構成により、気筒中心縦平面から最も遠い噴射方向（Ｄ１’及びＤ６’）を除き、各燃料の噴射方向（Ｄ２’，Ｄ３’，Ｄ４’，Ｄ５’）がタンブル流の旋回方向に対する平行側へ近づけられ、それにより、各噴射方向の燃料によりタンブル流Ｔを効率的に強めることができる。また、気筒中心縦平面Ｐと平行な平面により等間隔で気筒内を複数の領域に分割して考えた場合において、本実施形態の構成では、気筒中心縦平面Ｐから遠い領域ほど到達する燃料量が少なくなるが、気筒中心縦平面Ｐから遠い領域ほど容積が小さくなっているために、混合気の均質性とって特に問題とはならない。

気筒上部略中心に燃料噴射弁１が配置された第一実施形態において、燃料噴射弁１は奇数の噴孔を有し、その一つの噴射方向が気筒中心縦平面Ｐ上となるようにし、また、気筒上部周囲の吸気弁側に燃料噴射弁１’が配置された第二実施形態において、燃料噴射弁１’は偶数の噴孔を有し、いずれの噴射方向も気筒中心縦平面Ｐ上とならないようにしたが、もちろん、第一実施形態において、第二実施形態の燃料噴射弁１’の噴射方向を適用し、第二実施形態において、第一実施形態の燃料噴射弁１の噴射方向を適用するようにしても良い。

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縦断面図である。図１の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射方向を示す平面図である。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縦断面図である。図３の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射方向を示す平面図である。

符号の説明

１、１’ 燃料噴射弁
２、２’ 点火プラグ
３吸気ポート
４排気ポート
５ピストン
Ｔタンブル流

Claims

複数の噴孔を有して気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、前記燃料噴射弁は気筒上部略中心に配置され、均質燃焼時に吸気下死点近傍において前記燃料噴射弁の前記複数の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の広範囲に向けて噴射される燃料により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、前記燃料噴射弁の複数の噴射方向における互いに隣接する二つの噴射方向の間の平面視における角度は、タンブル流の旋回方向と平行な気筒中心縦平面の最も近くで互いに隣接する二つの噴射方向の間において最も小さい第一角度とされ、前記第一角度の少なくとも一部を含む前記気筒中心縦平面の一方側における互いに隣接する二つの噴射方向の間の平面視における角度は、前記気筒中心縦平面の最も遠くで互いに隣接する二つの噴射方向の間において最も大きい第二角度とされ、前記第一角度は前記第二角度より小さくされていることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
複数の噴孔を有して気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、前記燃料噴射弁は気筒上部周囲の吸気弁側に配置され、均質燃焼時に吸気行程において前記燃料噴射弁の前記複数の噴孔からシリンダボアの排気ポート側上部の広範囲に向けて噴射される燃料により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、前記燃料噴射弁の複数の噴射方向における互いに隣接する二つの噴射方向の間の平面視における角度は、タンブル流の旋回方向と平行な気筒中心縦平面の最も近くで互いに隣接する二つの噴射方向の間において最も小さい第一角度とされ、前記第一角度の少なくとも一部を含む前記気筒中心縦平面の一方側における互いに隣接する二つの噴射方向の間の平面視における角度は、前記気筒中心縦平面の最も遠くで互いに隣接する二つの噴射方向の間において最も大きい第二角度とされ、前記第一角度は前記第二角度より小さくされていることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。