JPWO2012049951A1 - 吸気ポート燃料噴射エンジン - Google Patents

Abstract

吸気通路に設けられた燃料噴射弁から、吸気弁の開弁時に燃焼室内に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において、ピストン３０の頂面に、上方に突出しつつ吸気流入方向を横切って左右に延びる突出部３４を吸気流入方向の先側にオフセットして配置し、突出部３４の吸気流入方向の先側にキャビティ３２を形成するとともに、キャビティ３２に点火プラグ６の電極６ａが臨むように配置する。

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、吸気ポート燃料噴射エンジンは、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または排気側のいずれか一方に向けて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おり、かつ上方に突出して、燃焼室内を燃料噴射方向の順側となる第１の空間と燃料噴射方向の逆側となる第２の空間とに区画する突出部を形成し、突出部を、第１の空間が第２の空間より大きく、かつ第１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、燃焼室の吸気側または排気側のいずれか一方側に面する開口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、ピストンの頂面に、吸気が第１の空間から第２の空間へ突出部の両端から回り込むことを抑制する回り込み抑制手段を備えるようにした。
請求項４に記載の発明では、ピストンの頂面に、第１の空間として、突出部より燃料噴射方向の順側にキャビティを備えるようにした。

請求項５に記載の発明では、突出部が、キャビティの逆側の縁部を構成するようにした。
請求項６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の空間は第２の空間より大きいので、燃料濃度の高い混合気が第１の空間に滞留する。
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１の空間では燃料濃度が比較的高く、第２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、燃焼室の吸気側または排気側のいずれか一方側に面する開口部に向けて燃料を噴射するので、燃焼室の吸気側または排気側のいずれか一方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、回り込み抑制手段により、吸気が第１の空間から第２の空間へ突出部の両端から回り込むことが抑制されるので、燃料噴射後に引き続き吸気ポートから吸気が流入しても、第１の空間に流入した燃料濃度の高い混合気が第２の空間へ押し出されずに、第１の空間に滞留させることができる。
請求項４の発明によれば、ピストンの頂面に第１の空間としてキャビティが備えられるので、燃料濃度の高い混合気をより確実に点火プラグの電極が臨む第１の空間に滞留させることができる。

請求項５の発明によれば、キャビティの他方側の縁部が突出部によって構成されて、第１の空間に流入した混合気が突出部で遮られてキャビティ内を反転するため、燃料濃度の高い混合気をより確実に点火プラグの電極が臨む第１の空間に滞留させることができる。
請求項６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に示すように、ピストン３０の頂面３１には、正面視で中央部がなだらかに上方に突出した突出部３４が設けられている。エンジン１のピストン３０の頂面３１は、突出部３４を境に排気弁１０側に第１の空間が、吸気弁９側に第２の空間が形成されており、第１の空間内には半円状のキャビティ３２が形成されている。キャビティ３２は、図２Ｂに示すように排気弁１０側にオフセットして突出部３４に隣接して設けられるとともに、図２Ｄに示すように点火プラグ６の電極がキャビティ３２の上方に位置するように設定されている。そして、図２Ｄに示すように、突出部３４によってキャビティ３２の吸気弁９側の縁部３５は排気弁１０側の縁部３６より高く形成されている。また、キャビティ３２の左右にも吸気弁９側の縁部３５から連続して同程度の高さで縁部３７（回り込み抑制手段）が形成されており、キャビティ３２内から左右に吸気が流出し難くなっている。

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る。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３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。なお、図３中ハッチングをした部分は、点火時における燃料濃度の高い混合気のピストン３０に対する到達位置を示す。

図３に示すように、燃料噴射弁３から噴射した燃料は、燃料濃度の高い混合気となって、吸気弁９の開口部のうち上部１１ａから燃焼室４内に流入する。燃料濃度の高い混合気は、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。その後、燃料濃度の高い混合気は、ライナ３８に沿って下方に移動し、ピストン３０の頂面３１に沿って吸気弁９側に折り返して、キャビティ３２内に到達する。

一方、吸気弁９の開口部のうち下部１１ｂから燃焼室４内に流入した燃料濃度の低い吸気は、吸気弁９側のライナ３８に沿って下方に移動し、ピストン３０の頂面３１に沿って排気弁１０側に移動する。燃料濃度の低い吸気は、排気弁１０側に向かって上方に傾斜しているピストン３０の上面に沿って移動し、キャビティ３２の上方を通過して排気弁１０側に移動する。

上記のようにキャビティ３２内に到達した燃料濃度の高い混合気は、吸気弁９側に移動しようとするが、吸気弁９側の高い縁部３５によって遮られ、更なる吸気弁９側への移動が妨げられる。また、キャビティ３２の左右にも比較的高い縁部３７が設けられているので、混合気がキャビティ３２から突出部３４の左右を吸気弁９側へ回り込み難くなる。
したがって、キャビティ３２の上方では、燃料濃度の低い吸気が通過していることもあり、吸気弁９側の縁部３５によって遮られた燃料濃度の高い混合気は、下方へ回り込んで反転し、タンブル流を維持しながらキャビティ３２内（図中ハッチングした位置）で滞留することになる。

そして、ピストン３０が上死点付近となって、点火プラグ６の電極６ａがキャビティ３２に近接した状態で点火すれば、キャビティ３２内では燃料濃度の高い混合気が滞留していることから、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、キャビティ３２以外では燃料濃度が低いので、燃焼室４全体での燃料の必要量が抑えられ、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により、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内に流入した燃料濃度の高い混合気がキャビティ３２内に滞留し、燃焼室４内での層状燃焼を容易に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の操作及び水温センサ２４等の検出に基づいてエンジン１の冷態始動時であると判断したとき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２６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、本実施形態では、キャビティ３２の排気弁１０側に縁部３６を設けているので、キャビティ３２内で吸気弁１０側に反転してきた燃料濃度の高い混合気を更に折り返し、キャビティ３２内でのタンブル流をより強く維持させることができる。
また、上記実施形態において、キャビティ３２の吸気弁側９の縁部３５を排気弁１０側に傾斜させるとよい。このように縁部３５を傾斜させることで、キャビティ３２内から燃料濃度の高い混合気が吸気弁９側に乗り越えにくくなり、キャビティ３２内に燃料濃度の高い混合気をより確実に滞留させることができる。

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の空間及びキャビティを形成すればよい。
なお、本実施形態では、ピストン３０の頂面３１にキャビティ３２を設けているが、少なくとも突出部３４が設けられれば、キャビティ３２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に空間が形成され、点火プラグ６の電極６ａが臨む吸気流入方向の先側の空間を反対側の空間より大きくなるようにすれば、燃料濃度の高い混合気が吸気流入方向の先側の空間に滞留することになり、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
２６ 排気浄化触媒
３０ ピストン
３２ キャビティ
３４ 突出部
３７ 縁部

Claims (6)

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吸気側または排気側のいずれか一方に向けて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おり、かつ上方に突出して、前記燃焼室内を前記燃料噴射方向の順側となる第１の空間と前記燃料噴射方向の逆側となる第２の空間とに区画する突出部が形成され、
   前記突出部は、前記第１の空間が第２の空間より大きく、かつ前記第１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、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または排気側のいずれか一方側に面する開口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. 前記ピストンの頂面に、吸気が前記第１の空間から前記第２の空間へ前記突出部の両端から回り込むことを抑制する回り込み抑制手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載の吸気ポート燃料噴射エンジン。
4. 前記ピストンの頂面には、前記第１の空間として、前記突出部より前記燃料噴射方向の前記順側にキャビティが備えられていることを特徴とする請求項３に記載の吸気ポート燃料噴射エンジン。
5. 前記突出部は、前記キャビティの前記逆側の縁部を構成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の吸気ポート燃料噴射エンジン。
6. 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更に備えたことを特徴とする請求項５に記載の吸気ポート燃料噴射エンジン。

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