JP5704360B2 - 吸気ポート燃料噴射エンジン - Google Patents

Description

本発明は、吸気ポート内に燃料を噴射するエンジンに関し、特に吸気弁開弁中に燃料を噴射するエンジンに関する。

吸気ポートに配置した燃料噴射弁から燃料を噴射する吸気ポート燃料噴射エンジンのうち、吸気弁の開弁中に燃料を噴射する吸気行程噴射モードを備えたエンジンが開発されている。
吸気行程噴射モードを備えたエンジンは、排気弁が閉弁中且つ吸気弁の開弁中に燃料を噴射することで、燃料の排気通路への排出を抑えることができる。また、吸気ポートに燃料噴射弁を配置しながらも燃焼室内に燃料をタイミング良くかつ正確に供給することができ、筒内燃料噴射エンジンのように出力及び燃費の向上を図ることができる。

一方、エンジンの冷態始動時においては、排気浄化性能を確保するために、排気通路に設けられた排気浄化触媒の温度を早期に上昇させて活性化させる必要がある。排気浄化触媒の温度を上昇させる方法としては、点火時期のリタードを行なって排気温度を上昇させる方法が有効であるが、燃焼が不安定となるといった問題点がある。したがって、燃焼を安定させるために、燃料噴射量を増加しなければならず、燃費が低下するとともに排気浄化触媒が活性化するまでは排気浄化性能が低下してしまう虞がある。

燃焼を安定させる方法としては、ピストン頂面にキャビティを設け、燃焼室内にタンブル流を発生させる技術が知られている（特許文献１を参照）。燃焼室内にタンブル流を発生させることで、燃焼室内で火炎が伝播し易くなり燃焼が促進される。

特開昭６３−４８９２２号

しかしながら、吸気行程噴射モードを備えたエンジンにおいて、上記特許文献１のように燃焼室内にタンブル流を発生させようとしても、吸気バルブの開口部の上部から流入した吸気と下部から流入した吸気とが燃焼室内でぶつかり合い、混合気が撹拌されてしまう。したがって、筒内燃料噴射エンジンのように層状燃焼を図ることは困難であり、冷態始動時の燃焼安定性と燃費の向上とを両立させることが困難となってしまう。

本発明は、この様な問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、燃焼室内での層状燃焼を可能とし燃費の向上を図るとともに燃焼安定性を確保することが可能な吸気ポート燃料噴射エンジンを提供することにある。

請求項１に記載の発明は、上記の目的を達成するために、吸気弁の開弁時に、吸気ポートに設けられた燃料噴射弁から燃焼室の排気側に向けて該吸気ポートからの吸気流入方向に沿って燃料を噴射する吸気ポート燃料噴射エンジンであって、ピストンの頂面に、該ピストンの外縁へ向けて延びて、かつ上方に突出する突出部が形成され、該突出部により、燃焼室内を燃料噴射方向の順側となる排気弁側の第１の空間と、燃料噴射方向の逆側となる吸気弁側の第２の空間とに区画され、突出部の両端がピストンの頂面に向けて斜めにカットされて、第１の空間から第２の空間に吸気を導入する導入部が形成され、第１の空間が第２の空間より小さく形成され、かつ第２の空間に点火プラグの電極が臨むように配置することとした。

請求項２に記載の発明では、燃料噴射弁を、吸気弁と吸気ポートとの間に形成された円環状の開口部のうち、燃焼室の排気側に面する開口部上部に向けて燃料を噴射するようにした。
請求項３に記載の発明では、突出部の両端と燃焼室の側壁面との間に、第１の空間から第２の空間に吸気を導入する隙間を形成するようにした。
請求項４に記載の発明では、吸気弁の開弁時に、吸気ポートに設けられた燃料噴射弁から燃焼室の吸気側に向けて該吸気ポートからの吸気流入方向に沿って燃料を噴射する吸気ポート燃料噴射エンジンであって、ピストンの頂面に、該ピストンの外縁へ向けて延びて、かつ上方に突出する突出部が形成され、該突出部により、燃焼室内を燃料噴射方向の順側となる吸気弁側の第１の空間と、燃料噴射方向の逆側となる排気弁側の第２の空間とに区画され、突出部の両端がピストンの頂面に向けて斜めにカットされて、第１の空間から第２の空間に吸気を導入する導入部が形成され、第１の空間が第２の空間より小さく形成され、かつ第２の空間に点火プラグの電極が臨むように配置することとした。
請求項５に記載の発明では、燃料噴射弁を、吸気弁と吸気ポートとの間に形成された円環状の開口部のうち、燃焼室の吸気側に面する開口部下部に向けて燃料を噴射するようにした。

請求項６に記載の発明では、ピストンの頂面に、第１の空間及び第２の空間として、突出部の両側にキャビティを夫々備えるようにした。
請求項７に記載の発明では、排気通路に排気浄化触媒を備えるとともに、冷態始動時に点火プラグの点火時期をリタードさせる点火時期制御手段を更に備えるようにした。

請求項１または４の発明によれば、吸気弁の開弁時に吸気弁からの燃料噴射によって、吸気は、その流入方向の順側に位置する燃焼室内の第１の空間に燃料を多く含む混合気となって流入する。そして、第１の空間が第２の空間より小さいので、燃料噴射後に引き続き吸気ポートから流入する吸気によって、燃料濃度の高い混合気は、第１の空間から押し出され、導入部により第２の空間に流入して滞留する。
そこで、点火プラグにより点火することで、点火プラグの電極が臨む第２の空間では燃料濃度が比較的高く、第１の空間では燃料濃度が比較的低いので、燃焼室全体での燃料消費を抑えつつ点火性を確保することができる。よって層状燃焼を可能とし燃費を向上させるとともに燃焼安定性を確保することが可能となる。

請求項２の発明によれば、吸気弁と吸気ポートとの間に形成された円環状の開口部のうち、燃焼室の排気側に面する開口部上部に向けて燃料を噴射するので、燃焼室の排気側に燃料濃度の高い混合気を流入させることができる。
請求項３の発明によれば、突出部の両端と燃焼室の側壁面との間に、第１の空間から第２の空間に吸気を導入する隙間が形成されているので、燃料濃度の高い混合気が第１の空間から押し出される際に、第２の空間に流入し易くなる。よって、第２の空間に燃料濃度の高い混合気を容易に滞留させることができる。

請求項５の発明によれば、吸気弁と吸気ポートとの間に形成された円環状の開口部のうち、燃焼室の吸気側に面する開口部下部に向けて燃料を噴射するので、燃焼室の吸気側に燃料濃度の高い混合気を流入させることができる。
請求項６の発明によれば、ピストンの頂面にキャビティが備えられることで、夫々混合気が滞留し易くなり、特に、第２の空間としてキャビティが備えられることで、燃料濃度の高い混合気をより確実に滞留させることが可能となる。
請求項７の発明によれば、冷態始動時に点火プラグの点火時期をリタードさせても、請求項１または４におけるピストンの形状により燃焼安定性を確保することが可能となる。これにより、点火時期のリタードによって排気温度を上昇させ排気浄化触媒の温度を迅速に上昇させることが可能となり、冷態始動時での排気浄化性能を向上させることができる。

本発明に係るエンジンの概略内部構造を示す断面図。 ピストンの形状を示す正面図。 ピストンの形状を示す上面図。 ピストンの形状を示す右側面図。 ピストンの形状を示す横断面図。 燃焼室内での混合気の流動状態を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係る吸気ポート燃料噴射エンジン（以下、エンジン１という）の概略内部構造を示す断面図である。
図１に示すように、本発明の実施形態であるエンジン１は、吸気通路２に配置した燃料噴射弁３から燃焼室４内へ向けて燃料を噴射する吸気行程噴射モードを備えたエンジンである。

エンジン１のシリンダヘッド５には、燃焼室４に臨んで略中央部に点火プラグ６が設けられている。シリンダヘッド５の下面は略中央部の稜線から両側方に向けて夫々下方に傾斜しており、ペントルーフ型燃焼室が形成されている。シリンダヘッド５の下面の一方の斜面には吸気ポート７が、他方の斜面には排気ポート８が形成されている。吸気ポート７には吸気弁９が、排気ポート８には排気弁１０が設けられ、これらの吸気弁９及び排気弁１０は、シリンダヘッド５上の図示しない動弁機構によりクランク軸の回転に同期して開閉駆動される。

燃料噴射弁３は、吸気ポート７内の吸気流入方向に沿って、かつ吸気弁９の周囲の円環形上の開口部のうち、その上部１１ａ（第１のキャビティ３２の側）に向けて噴射口３ａから燃料が噴射するように、取付角度が設定されている。したがって、燃料噴射弁３からの燃料噴射時には、吸気弁９の開口部のうち上部１１ａから燃料濃度の高い混合気が燃焼室４に流入し、吸気弁９の開口部の下部１１ｂから燃料濃度の低い吸気が燃焼室４に流入する。

燃料噴射弁３はＥＣＵ（電気コントロールユニット）２０と電気的に接続されている。また、点火プラグ６は、点火コイルを介してＥＣＵ２０と電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、エンジン１のクランク角を検出するクランク角センサ２１やスロットル開度を検出するスロットルセンサ２２、アクセル操作量を検出するアクセルポジションセンサ２３、冷却水温を検出する水温センサ２４等のセンサ類やキースイッチ２５とも電気的に接続されており、これらのセンサ類からの情報に基づき、燃料噴射弁３による燃料噴射量や燃料噴射時期及び点火プラグ６による点火時期等を制御する。

また、エンジン１の排気通路２６には、三元触媒等の排気浄化触媒２７が備えられている。排気浄化触媒２７は、触媒温度が上昇することで活性化し、排気浄化性能が確保される。
図２Ａ〜Ｄは、ピストン３０の形状を示し、図２Ａは正面図、図２Ｂは上面図、図２Ｃは右側面図、図２Ｄは横断面図である。

図２Ａ〜Ｄに示すように、エンジン１のピストン３０の頂面３１には、排気弁１０側に第１のキャビティ３２（第１の空間）が、吸気弁９側に第２のキャビティ３３（第２の空間）が、形成されている。第１のキャビティ３２及び第２のキャビティ３３は楕円状の窪みであって、第１のキャビティ３２と第２のキャビティ３３との間には、ピストン３０の頂面３１から上方へ突出する突出部３４が形成されている。突出部３４は、ピストン３０の中央から排気弁１０側にオフセットした位置で左右に延び第１のキャビティ３２と第２のキャビティ３３とを区切るように配置されており、第１のキャビティ３２は第２のキャビティ３３よりも小さく、かつ第２のキャビティ３３に臨んで点火プラグ６の電極６ａが配置されるようになっている。

更に、図２Ｃに示すように、突出部３４の両端３４ｂは斜めにカットされて、ライナ３５との間に混合気が回り込むための隙間３６（導入部）が左右夫々に設けられている。
次に、図３を用いて、上記のような構造のピストン３０を備えたエンジン１における燃焼室４内での混合気の流動状態について説明する。

図３は、燃焼室４内での混合気の流動状態を示す説明図であり、上側が上面図、下側が正面図である。（Ａ）→（Ｂ）→（Ｃ）→（Ｄ）→（Ｅ）の順番に時間が経過しており、（Ａ）は吸気行程を開始してピストン３０が上死点から若干下方に移動した時点であり、燃料噴射終了直後の状態である。（Ｂ）は下死点時、（Ｃ）及び（Ｄ）は圧縮行程時、（Ｅ）は圧縮上死点時を示す。なお、図３中実線の矢印が吸気弁９の開口部のうち上部１１ａから流入した燃料濃度の高い混合気の移動方向であり、図中破線の矢印が吸気弁９の開口部のうち下部１１ｂから流入した燃料濃度の低い吸気の移動方向を示す。また、図中ハッチングをした部分は、燃料濃度の高い混合気の位置を示す。

本実施形態のエンジン１では、吸気行程の開始直後から燃料噴射弁３から燃料を噴射開始し、ピストン３０が若干下降した時点で燃料噴射を停止する。したがって、図３（Ａ）に示すように、燃料濃度の高い混合気は、吸気弁の開口部の上部１１ａから燃焼室４内の上部をシリンダヘッド５の下面に沿って排気弁１０側に向かって移動する。
そして、更に吸気弁９を開弁しつつピストン３０を下降させることで、吸気ポート７から引き続き流入する吸気によって、燃料濃度の高い混合気は押され、ライナ３５に沿って下方に移動する。

図３（Ｂ）に示すように、ピストン３０の下死点時では、燃料濃度の高い混合気は、第１のキャビティ３２内に到達する。
そして、下死点到達前からの吸気の更なる流入及び吸気の流動慣性によって燃料濃度の高い混合気が、第１のキャビティ３２から押し出され、図３（Ｃ）に示すように、突出部３４によって左右に振り分けられて、突出部３４とライナ３５との間の隙間３６を通過して、吸気弁９側に回り込む。

その後、ライナ３５に沿って左右から回り込んだ燃料濃度の高い混合気は、図３（Ｄ）に示すように、吸気弁９側で衝突し、第２のキャビティ３３内に入り込む。第２のキャビティ３３内に入り込んだ混合気は、上方から見て中央部を排気弁１０側に移動しようとしても、突出部３４によって遮られ、第１のキャビティ３２への再流入が防止される。
図３（Ｅ）に示すように、ピストン３０の上死点付近では、燃料濃度の高い混合気は略第２のキャビティ３３内に位置することになる。このような時点で点火プラグ６により点火すると、電極６ａ付近では燃料濃度の高い混合気が滞留しているので、点火し易くなり燃焼安定性が確保される。また、点火時には、第２のキャビティ３３以外、例えば第１のキャビティ３２内では燃料濃度が低いので、燃焼室４全体での燃料使用量が抑えられ、燃費を向上させることができる。

本実施形態では、以上のようにピストン３０の頂面３１の形状を設定することで、吸気弁９の開口部１１ａから燃焼室４内へ燃料を噴射する吸気行程噴射モードを備えたエンジンにおいて、燃焼室４内に流入した混合気が突出部３４によって拡散が抑制される。
また、第１のキャビティ３２が第２のキャビティ３３より小さく形成されているので、燃料噴射後に引き続き吸気ポートから流入する吸気によって第１のキャビティ３２に滞留する燃料濃度の高い混合気を確実に第２のキャビティ３３に押し出すことができる。更に、第２のキャビティ３３が第１のキャビティ３２より大きいので、第２のキャビティ３３に燃料濃度の比較的高い混合気が滞留しやすくなる。これにより、点火時に第２のキャビティ３３では燃料濃度を比較的高く、かつ第１のキャビティ３２では燃料濃度を比較的低くすることができ、点火プラグ６の電極６ａ付近に燃料濃度の高い混合気を滞留させつつ、層状燃焼を可能にすることができる。よって、燃焼安定性を確保しつつ燃費を向上させることができる。

更に、ＥＣＵ２０（点火時期制御手段）は、キースイッチ２５及び水温センサ２４等の検出に基づいてエンジン１の冷態始動時である場合に点火時期をリタードさせるとよい。一般的に点火時期をリタードさせると燃焼安定性が低下するが、本実施形態のエンジン１は、ポート噴射エンジンであっても、吸気行程噴射と上記のようなピストン３０の頂面３１の形状によって実現される層状燃焼により燃焼安定性が確保されるので、リタード量を十分に確保することができる。よって、冷態始動時にリタード量を確保することで、排気温度を上昇させ排気浄化触媒２７を迅速に活性化させることができ、冷態始動時における排気浄化性能を向上させることができる。

また、上記実施形態において、更に第１のキャビティ３２よりも第２のキャビティ３３を深く形成するとよい。このようにピストン３０を形成すると、第１のキャビティ３２から第２のキャビティ３３への燃料濃度の高い混合気の回り込みがし易く、また第２のキャビティ３３での燃料濃度の高い混合気の滞留性が向上する。よって、層状燃焼をより確実に行なうことができる。

また、上記実施形態において、突出部３４の先端を吸気弁９側に傾斜させるとよい。このように突出部３４を傾斜させることで、第１のキャビティ３２から第２のキャビティ３３へ吸気が移動し易く、かつ第２のキャビティ３３から第１のキャビティ３２へ吸気を移動し難くすることができ、第２のキャビティ３３に燃料濃度の高い混合気を集めて、層状燃焼を更に確実に行なうことができる。

また、上記実施形態において、燃料噴射弁３は開口部の上部１１ａに向けて噴射口３ａから燃料が噴射するように取付角度が設定されているが、これに限定されない。即ち、開口部の下部１１ｂに向けて噴射口３ａから燃料が噴射するように取付角度を設定してもよい。その場合には、吸気弁９側に第１のキャビティ（第１の空間）、排気弁１０側に第２のキャビティ（第２の空間）を形成すればよい。

なお、本願発明は、少なくとも突出部３４が備えられていれば、第１のキャビティ３２及び第２のキャビティ３３がなくともよい。燃焼室４内で突出部３４に対して排気弁１０側即ち吸気流入方向の先側と、吸気弁９側即ち吸気流入方向の反対側に空間が形成され、吸気流入方向の先側の空間を反対側の空間より小さくなるようにすれば、圧縮工程中に燃料濃度の高い混合気が吸気流入方向の先側の空間から押し出され、反対側の空間に移動する。そして、点火プラグ６の電極６ａが臨む吸気流入方向の反対側の空間に燃料濃度の高い混合気が滞留することとなり、層状燃焼を可能にすることができる。

１ エンジン
３ 燃料噴射弁
４ 燃焼室
６ 点火プラグ
２０ ＥＣＵ
２７ 排気浄化触媒
３０ ピストン
３２ 第１のキャビティ
３３ 第２のキャビティ
３４ 突出部
３６ 隙間

Claims (7)

1. 吸気弁の開弁時に、吸気ポートに設けられた燃料噴射弁から燃焼室の排気側に向けて、該吸気ポートからの吸気流入方向に沿って燃料 を噴射する吸気ポート燃料噴射エンジンであって、
   ピストンの頂面に、該ピストンの外縁に向けて延びて、かつ上方に突出する突出部が形成され、該突出部により、前記燃焼室内を前記燃料噴射方向の順側となる排気弁側の第１の空間と、前記燃料噴射方向の逆側となる吸気弁側の第２の空間とに区画され、
   前記突出部の両端が前記ピストンの頂面に向けて斜めにカットされて、前記第１の空間から前記第２の空間に吸気を導入する導入部が形成され、
   前記第１の空間が第２の空間より小さく形成され、かつ前記第２の空間に点火プラグの電極が臨むように配置されることを特徴とする吸気ポート燃料噴射エンジン。
2. 前記燃料噴射弁は、前記吸気弁と前記吸気ポートとの間に形成された円環状の開口部のうち、前記燃焼室の排気側に面する開口部上部に向けて燃料を噴射するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の吸気ポート燃料噴射エンジン。
3. 前記突出部の両端と前記燃焼室の側壁面との間に、前記第１の空間から前記第２の空間に吸気を導入する隙間が形成されていることを特徴とする請求項１もしくは２に記載の吸気ポート燃料噴射エンジン。
4. 吸気弁の開弁時に、吸気ポートに設けられた燃料噴射弁から燃焼 室の吸気側に向けて、該吸気ポートからの吸気流入方向に沿って燃料を噴射する吸気ポート燃料噴射エンジンであって、
   ピストンの頂面に、該ピストンの外縁に向けて延びて、かつ上方に突出する突出部が形成され、該突出部により、前記燃焼室内を燃料噴射方向の順側となる吸気弁側の第１の空間と、前記燃料噴射方向の逆側となる排気弁側の第２の空間とに区画され、
   前記突出部の両端が前記ピストンの頂面に向けて斜めにカットされて、前記第１の空間から前記第２の空間に吸気を導入する導入部が形成され、
   前記第１の空間が、前記第２の空間より小さく形成され、かつ前記第２の空間に点火プラグの電極が臨むように配置されることを特徴とする吸気ポート燃料噴射エンジン。
5. 前記燃料噴射弁は、前記吸気弁と前記吸気ポートとの間に形成さ れた円環状の開口部のうち、前記燃焼室の吸気側に面する開口部下部に向けて燃料を噴射するように設けられていることを特徴とする請求項４に記載の吸気ポート燃料噴射エンジン。
6. 前記ピストンの頂面には、前記突出部の両側に前記第１の空間としての第１のキャビティと、前記第２の空間としての第２のキャビティが夫々備えられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の吸気ポート燃料噴射エンジン。
7. 排気通路に排気浄化触媒を備えるとともに、前記エンジンの冷態始動時に前記点火プラグの点火時期をリタードさせる点火時期制御手段を備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の吸気ポート燃料噴射エンジン。

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