JP2007138780A - Sub-chamber internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、主燃焼室と連通する副室を有する副室式内燃機関に関する。 The present invention relates to a sub-chamber internal combustion engine having a sub-chamber communicating with a main combustion chamber.
従来、特許文献1に示すように、副室式火花点火2サイクルガスエンジンにおいて、主燃焼室と連通する副室をシリンダヘッドに形成し、この副室内に点火プラグを配置すると共に、副室を介して副室および主燃焼室内に燃料を供給する燃料噴射弁を設けることが知られている。これにより、主燃焼室には希薄な混合気を形成する一方、噴射された燃料の一部が副室に形成された壁面に衝突して混合気を形成し、副室内の混合気に点火プラグで点火することで、希薄燃焼時でも安定した火花点火を可能にしている。
Conventionally, as shown in
また特許文献2に示すように、筒内噴射式火花点火機関において、燃焼室の略中心位置に点火プラグを配置すると共に、シリンダ側壁に対向するように2つの燃料噴射弁を配設し、各燃料噴射弁からの燃料噴射を相対的に変化させることで、燃料噴霧の衝突位置を負荷に応じて排気側へ移動させることが知られている。
しかしながら、特許文献1に記載のエンジンでは、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧の一部が副室壁面によりガイドされ副室内の点火プラグへ混合気が供給される構成となるため、副室壁面へ燃料が付着し液膜が形成されて副室内でリッチ燃焼が起こり、スモークが発生し、結果として点火プラグがくすぶる原因となる。そして、副室内に混合気を形成させる構成上副室容積が大きくなってしまうため、一般的な4弁の4サイクルエンジンへの適用が難しく、また、高圧縮比化が困難になるという問題がある。
However, in the engine described in
また特許文献2に記載の内燃機関では、例えばピストン冠面にキャビティを持ち、キャビティ内に混合気を形成するなどの方法により、主燃焼室内の混合気サイズを変化させることが困難である。
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、副室式内燃機関において、副室内に適切な混合気を形成して安定した副室燃焼を行うことを目的とする。
In the internal combustion engine described in
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to perform stable sub-chamber combustion by forming an appropriate air-fuel mixture in the sub-chamber in a sub-chamber internal combustion engine.
そのため本発明では、主燃焼室と連通する副室と、主燃焼室内に直接噴射した複数の燃料噴霧同士を衝突させて、主燃焼室内に混合気を形成すると共に、副室内に混合気の一部を供給するよう燃料噴射を行う複数の燃料噴射弁と、副室内の混合気に点火する点火装置と、を備えることを特徴とする。 Therefore, in the present invention, a sub-chamber communicating with the main combustion chamber and a plurality of fuel sprays directly injected into the main combustion chamber collide with each other to form an air-fuel mixture in the main combustion chamber and And a plurality of fuel injection valves for injecting fuel so as to supply a portion, and an ignition device for igniting an air-fuel mixture in the sub chamber.
本発明によれば、複数の燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧を衝突させて、主燃焼室内に混合気を形成すると共に、その混合気の一部を副室内に供給することができるため、副室内に混合気を形成する燃料供給装置を別途設けなくとも、副室内に可燃混合気を形成することができ、安定した副室燃焼が行えるという効果を奏する。 According to the present invention, fuel sprays injected from a plurality of fuel injection valves can collide to form an air-fuel mixture in the main combustion chamber, and a part of the air-fuel mixture can be supplied to the sub-chamber. Even if a fuel supply device for forming an air-fuel mixture in the sub chamber is not separately provided, a combustible air-fuel mixture can be formed in the sub chamber, and an effect is achieved that stable sub chamber combustion can be performed.
以下、図面に基づき、本発明の実施形態について詳細に説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態を示す副室式内燃機関(以下、「エンジン」と称する)1の構成図である。
エンジン1は、シリンダヘッド2、シリンダブロック3、ピストン4、吸気バルブ5および排気バルブ6から形成される主燃焼室7を有している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram of a sub-chamber internal combustion engine (hereinafter referred to as “engine”) 1 showing a first embodiment of the present invention.
The
主燃焼室7は、吸気バルブ5を介して吸気ポート8から吸気が供給可能になっている一方、排気バルブ6を介して排気ポート9へ排気を排出可能になっている。
図1では、シリンダヘッド2の吸気側および排気側に、それぞれ燃料噴射弁10a,10bが主燃焼室7を臨んで設けられている。これにより燃料噴射弁10a,10bは、主燃焼室7内に燃料を直接噴射可能になっている。燃料噴射弁10a,10bは、燃料噴霧が主燃焼室7内で衝突するよう吸気側および排気側にそれぞれ対向して配置している。
The
In FIG. 1,
なお、ここで用いる燃料噴射弁10a,10bは、ホール噴射弁であるが、渦巻き噴射弁、マルチホール噴射弁、外開き噴射弁なども含み特に種類は問わない。
シリンダヘッド2には、主燃焼室7と連通路(連通孔)11を介して連通する副室12が形成されている。副室12は、主燃焼室7の略中央位置に形成されている。副室12は、主燃焼室7より容積が小さく形成されている。略半球状の副室12の先端部12aは、主燃焼室7内に突出しており、ここに複数の連通孔11が形成されている。
The
The
副室12には、火花点火が可能な点火プラグ13が設けられている。点火プラグ13は、点火コイル14に接続されており、エンジンコントロールユニット(以下、「ECU」と称する)20からの点火信号により副室12内に火花を点火する。図1では、これらにより点火装置を構成する。
また、ECU20には、エンジン1の運転状態を検出するため、クランク角センサ15、アクセルペダルセンサ16および燃料圧力センサ17などからの出力信号が入力される。
A
Further, the
ECU20は、これらの各出力信号に基づいて演算を行う。例えば、クランク角センサ15の出力信号に基づいてエンジン回転速度を演算する。アクセルペダルセンサ16の出力信号に基づいてエンジン負荷を演算する。燃料圧力センサ17の出力信号に基づいて燃料噴射弁10a,10bから噴射される燃料の圧力を演算する。
ECU20は、これらの演算結果に基づいて各種の制御を行う。例えば、燃料噴射弁10a,10bからの燃料噴射圧力および燃料噴射開始時期を制御したり、副室11内に設けられた点火プラグ13の点火時期を制御したりする。なお、ECU20は、2つの燃料噴射弁10a,10bをそれぞれ独立して制御する。
The ECU 20 performs calculations based on these output signals. For example, the engine speed is calculated based on the output signal of the
The ECU 20 performs various controls based on these calculation results. For example, the fuel injection pressure and the fuel injection start timing from the
また、図1では、図2(イ)に示すように、燃料噴射弁10a,10bを、吸気側および排気側にそれぞれ傾斜して配置しているが、これに限定されるものではない。例えば図2(ロ)に示すように、燃料噴射弁10a,10bをシリンダ軸方向に直立させて配置し、燃料噴射口をそれぞれシリンダ中心軸側へ偏向させて燃料噴霧をシリンダ中心軸近傍で衝突させるようにしてもよい。また、図2(ハ)に示すように、シリンダブロック3に燃料噴射弁10a,10bを配置し、燃料噴射口をそれぞれシリンダ中心軸側へ偏向させて燃料噴霧をシリンダ中心軸近傍で衝突させるようにしてもよい。
Further, in FIG. 1, as shown in FIG. 2 (a), the
また、燃料噴射弁10a,10bは、図3(イ)に示すように、平面視した場合に、シリンダヘッド2またはシリンダブロック3の吸気側および排気側に1つずつ配置することに限定されない。すなわち、燃料噴霧が主燃焼室7内で衝突するようにすれば、例えば図3(ロ)に示すように、燃料噴射弁10a,10bをフロント側およびリア側に1つずつ、対向するように配置してもよい。そして、図3(ハ)に示すように、燃料噴射弁10a,10bを対向させて配置しなくとも、吸気側およびフロント側に1つずつ配置して燃料噴霧が干渉(衝突)するようにしてもよい。また、図3(ニ)に示すように、燃料噴射弁を吸気側、フロント側およびリア側にそれぞれ1つずつ、合計3つ配置するようにして、燃料噴霧を衝突するようにしてもよい。
Further, as shown in FIG. 3 (a), the
図4は、燃料噴射弁10a,10bから主燃焼室7内に直接燃料を噴射した状態を示す図である。
各燃料噴射弁10a,10bから吸気行程若しくは圧縮行程前半に噴射された燃料噴霧は、主燃焼室7内で衝突して混合気を形成する。図4では、燃料噴霧の衝突位置は、シリンダ中心軸上になっている。そして、衝突した燃料噴霧は、シリンダ軸の上下方向に拡散する。このため、主燃焼室7内に形成された混合気の一部は、連通路11を介して副室12内に供給される。更に、ピストン4の圧縮動作により、副室12内に混合気の一部を供給することを促進する。これにより、副室12内に可燃混合気を供給できるため、副室12内に燃料を直接噴射・供給するための装置が不要になる。
FIG. 4 is a view showing a state in which fuel is directly injected into the
The fuel sprays injected from the
また、副室12内に配置された点火プラグ13は、圧縮上死点近傍にて、副室12内に供給された可燃混合気に火花点火をすることにより、連通路11から主燃焼室7内に火炎トーチ(噴出火炎)を形成する。これにより、主燃焼室7内に形成された混合気に着火をして燃焼を行うことを可能にする。
図5(イ),(ロ)は、エンジン回転速度に応じて、燃料噴射弁10a,10bから噴射した燃料噴霧の衝突位置を変化させる時の混合気の形成状態をそれぞれ示す図であり、(ハ)は、エンジン回転速度に応じて、燃料噴霧の衝突位置Xから副室12の中心線の位置Yまでの距離((イ)に示す距離)Lを示した図である。
The
FIGS. 5 (a) and 5 (b) are diagrams respectively showing the formation state of the air-fuel mixture when the collision position of the fuel spray injected from the
図示のように、本構成ではエンジン回転速度の上昇に伴って燃料噴霧の衝突位置を副室12へ近づけるように燃料噴射弁10a,10bを制御している。なお、この制御の詳細については後述する。
各燃料噴射弁10a,10bは、図5(イ)に示すエンジン回転低速時のように、ピストン4の圧縮上死点までの時間がエンジン回転高速時と比較して長い場合には、噴射された燃料噴霧が副室12近傍で、副室12の中心線の位置Yより径方向に所定距離Lだけ離れた位置Xにて衝突し、この位置Xで混合気を形成するように燃料噴射を行う。これにより、燃料噴霧の衝突によって、シリンダ軸方向に拡散した混合気の一部を副室12内に供給する。
As shown in the figure, in this configuration, the
Each of the
すなわち、エンジン回転低速時においては、圧縮上死点までの時間が長いため、混合気を副室12近傍で、且つ副室12の中心線の位置Yにて形成してしまった場合には、副室12内に過剰にリッチな混合気が供給されてしまうこととなり、点火プラグ13のくすぶりが発生してしまう。これを防止するため、エンジン回転低速時においては、燃料噴射弁10a,10bのそれぞれの燃料噴射圧力や燃料噴射開始時期を制御することにより、燃料噴霧の衝突位置を副室12から遠ざけるようにしている。そして、主燃焼室7から副室12に形成された連通路11の一側方(図5(イ)では吸気側の連通路11)を介して、主燃焼室7内に形成された混合気の一部を副室12内に供給することで、副室12内の混合気の濃度を調整している。
That is, when the engine speed is low, the time to compression top dead center is long, so if the air-fuel mixture is formed in the vicinity of the
また、各燃料噴射弁10a,10bは、図5(ロ)に示すエンジン回転高速時のように、エンジン回転低速時と比較してピストン4の圧縮上死点までの時間が短く、主燃焼室7から副室12への混合気の供給量が減少し、副室12内の混合気がリーンとなってトーチ点火が難しい場合においては、副室12の中心軸の位置Yにて燃料噴霧を衝突させることで、主燃焼室7内に混合気を形成すると共に、副室12内に混合気を供給する。これにより、連通路11を介して副室12へ供給される混合気が増加し、結果として副室12内に可燃混合気が形成できる。
Further, each
以上より、エンジン回転速度の上昇に伴って主燃焼室7内における燃料噴霧の衝突位置を副室12へ近づけることにより、エンジン回転低速時においては副室12内に過剰にリッチな混合気を供給することを防止すると共に、エンジン回転高速時においては副燃焼室12内に燃焼に適切な混合気を供給する。そして、副室12内に配置された点火プラグ13により副室12内の混合気に点火することで、主燃焼室7内の燃焼を行うことができる。更に、副室12内には主燃焼室7から供給された混合気により可燃混合気が形成されるため、主燃焼室7内の混合気の空燃比がリーンであっても主燃焼室7内の燃焼を行うことができ、リーン空燃比側の限界を拡大することができ、燃費の向上が図れる。
As described above, by bringing the collision position of the fuel spray in the
図6(イ)は、エンジン回転速度に対する燃料噴射弁10a,10bの平均燃料噴射圧力(燃圧)を示し、(ロ)は、エンジン回転速度に対する燃料噴射開始時期を示す図である。
図6(イ)では、エンジン回転速度が所定値未満では燃料噴射弁10a,10bの平均燃料噴射圧力は一定であり、所定値以上になるとエンジン回転速度の上昇に伴って、平均燃料噴射圧力を上げることにより燃料噴霧の微粒化を促進すると共に、図6(ロ)では、エンジン回転速度の上昇に伴って、燃料噴射弁10a,10bからの燃料噴射開始時期を進角させて早期に混合気を形成する。このため、ピストン4の上昇に伴って副室12により多くの混合気(燃料)を供給し、副室12内に可燃混合気を形成でき、トーチ燃焼による運転範囲をエンジン回転高速側へ拡大できる。
FIG. 6A shows the average fuel injection pressure (fuel pressure) of the
In FIG. 6 (a), the average fuel injection pressure of the
図7(イ),(ロ)は、エンジン負荷に応じて、燃料噴射弁10a,10bから噴射した燃料噴霧の衝突位置を変化させた時の混合気の形成状態をそれぞれ示す図であり、(ハ)は、エンジン負荷に応じて、燃料噴霧の衝突位置Xから副室12の中心線の位置Yまでの距離((ロ)に示す距離)Lを示す図である。
図示のように、本構成ではエンジン負荷の増大に伴って燃料噴霧の衝突位置Xを副室12の中心線の位置Yから所定距離Lだけ遠ざけるように燃料噴射弁10a,10bを制御している。なお、この制御の詳細については後述する。
FIGS. 7 (a) and 7 (b) are diagrams respectively showing the formation state of the air-fuel mixture when the collision position of the fuel spray injected from the
As shown in the drawing, in this configuration, the
これにより、図7(イ)に示す低負荷時のように、燃料噴射弁10a,10bの燃料噴射圧力が低く、主燃焼室7から副室12への混合気の供給量が減少し、副室12内の混合気が過剰にリーンとなってトーチ点火が難しい場合においても、燃料噴霧の衝突位置を副室12の中心位置Yにすることで、この位置Yにおける混合気濃度を局所的にリッチにできる。そして、燃料噴霧の衝突によってシリンダ軸上側に拡散された燃料により形成された混合気の一部は、連通路11を介して副室12へ供給され、結果として副室12内に可燃混合気が形成されるため安定したトーチ点火が可能となる。
As a result, the fuel injection pressure of the
また、図7(ロ)に示す高負荷時のように、燃料噴射弁10a,10bから噴射される燃料圧力が高い場合には、副室12の中心線の位置Yからシリンダ径方向に所定距離Lだけ離れた位置Xに混合気が形成されるように燃料噴射弁10a,10bの燃料噴射開始時期などを制御する。
すなわち、高負荷時においては、燃料噴射弁10a,10bの燃料噴射圧力が高いため、混合気を副室12の中心線の位置Yに形成してしまった場合には、燃料噴霧の衝突時の拡散によって副室12内に過剰にリッチな混合気が供給されてしまうこととなり、点火プラグ13にくすぶりが発生してしまう。これを防止するため、高負荷時においては、燃料噴射弁10a,10bのそれぞれの燃料噴射圧力や燃料噴射開始時期を制御することにより、燃料噴霧の衝突位置Xを副室12の中心線の位置Yから所定距離Lだけ遠ざけるようにしている。そして、主燃焼室7から副室12に形成された連通路11の一側方(図7(ロ)では吸気側の連通路11)を介して、主燃焼室7内に形成された混合気の一部を副室12内に供給することで、副室12内に過剰にリッチな混合気が供給されることを防止し、燃焼に適した混合気を副室12内に供給可能にしている。
Further, when the fuel pressure injected from the
That is, at the time of high load, the fuel injection pressure of the
以上より、エンジン負荷の上昇に伴って主燃焼室7内における燃料噴霧の衝突位置を副室12近傍において低負荷時より副室12から遠ざけることにより、低負荷時においては副室12内に燃焼に適切な混合気を供給すると共に、高負荷時においては副燃焼室12内に過剰にリッチな混合気を供給することを防止できる。そして、高負荷時において強いトーチ点火が行われるとノッキングが生じる恐れがあるが、副室12内を可燃範囲内で弱リーンとすることでトーチ火炎の強度を弱めることが可能となり、主燃焼室7にて過度に燃焼速度が高まることがなく、耐ノック性が向上する。
As described above, as the engine load increases, the fuel spray collision position in the
なお、図7(ロ)に示すように、吸気側にて燃料噴霧が衝突するように燃料噴射を制御すれば、タンブル流動を強めて混合を促進させることでトーチ点火時期までにはシリンダ内の混合気は主燃焼室7全体に均質に分布できる。一方、高負荷時において混合気が偏り全負荷性能の低下が懸念されるが、シリンダブロック3の壁温が高い排気側にて燃料噴霧が衝突するように燃料噴射を制御すれば、燃料の蒸発が進む効果が期待できる。
As shown in FIG. 7 (b), if the fuel injection is controlled so that the fuel spray collides on the intake side, the tumble flow is strengthened to promote mixing, so that the inside of the cylinder is reached by the torch ignition timing. The air-fuel mixture can be distributed uniformly throughout the
次に、燃料噴射弁10a,10bの燃料噴射制御について図8を用いて説明する。
図8は、燃料噴射弁10a,10bの燃料噴射圧力および燃料噴射開始時期をエンジン回転速度およびエンジン負荷に応じて制御することを示す図である。これにより、燃料噴射弁10a,10bから噴射される燃料噴霧の衝突位置を変更できるようにし、副室12内へ供給する混合気を所望の濃度に調整可能にする。
Next, fuel injection control of the
FIG. 8 is a diagram showing that the fuel injection pressure and the fuel injection start timing of the
燃料噴射圧力によって燃料噴霧の衝突位置を制御する場合は、2つの燃料噴射弁10a,10bの燃料噴射圧力の差を、エンジン回転速度の増大に伴って小さくし(図8(イ))、エンジン負荷の増大に伴って大きくする(図8(ハ))。これにより、燃料噴霧の衝突位置は、燃料噴射圧力が相対的に低い側の燃料噴射弁側へオフセットされる。
また、燃料噴射開始時期によって燃料噴霧の衝突位置を制御する場合は、2つの燃料噴射弁10a,10bの燃料噴射開始時期の差を、エンジン回転速度の増大に伴って小さくし(図8(ロ))、エンジン負荷の増大に伴って大きくする(図8(ニ))。これにより、燃料噴霧の衝突位置は、燃料噴射開始時期が相対的に遅くなる方の燃料噴射弁側へオフセットされる。
When the fuel spray collision position is controlled by the fuel injection pressure, the difference between the fuel injection pressures of the two
In addition, when the fuel spray collision position is controlled by the fuel injection start timing, the difference between the fuel injection start timings of the two
以上より、燃料噴射圧力の差または燃料噴射開始時期の差により燃料噴霧の衝突位置を変更することで、運転条件(エンジン回転速度およびエンジン負荷)に応じて副室12内に燃焼に適した混合気を供給する。すなわち、主燃焼室7から副室12内に混合気の供給が難しく、副室12内の空燃比が過剰にリーンになってしまうおそれのある場合には、燃料噴霧の衝突位置Xを副室12の先端部12a近傍(例えば、図7(イ)に示すように副室12の中心線の位置Y)にすることで、副室12内に可燃混合気を供給する。一方、副室12内の空燃比が過剰にリッチになってしまうおそれのある場合には、燃料噴霧の衝突位置を副室12の先端部12aから離れた位置(例えば、図7(ロ)に示すように副室12の中心線の位置Yからシリンダ径方向に所定距離Lだけ離れた位置X)にすることで、副室12内への過剰な混合気の供給を抑制する。
As described above, the fuel spray collision position is changed according to the difference in fuel injection pressure or the difference in fuel injection start timing, so that mixing suitable for combustion in the
図9は、噴射される燃料の噴射角度θを変える噴口角可変機構を有する燃料噴射弁10a,10bを用いて燃料噴射を行った場合を示す図である。
図9(イ)は燃料噴射角度θを広角噴射にした時の混合気分布、(ロ)は狭角噴射にした時の混合気分布をそれぞれ示している。図9(ハ)はエンジン回転速度に応じた燃料噴射角度θ、(ニ)はエンジン負荷に応じた燃料噴射角度θをそれぞれ示している。
FIG. 9 is a diagram showing a case where fuel injection is performed using the
FIG. 9A shows the mixture distribution when the fuel injection angle θ is wide-angle injection, and FIG. 9B shows the mixture distribution when narrow-angle injection is used. FIG. 9C shows the fuel injection angle θ according to the engine speed, and FIG. 9D shows the fuel injection angle θ according to the engine load.
図9(ハ)に示すようにエンジン回転速度が高くなる程、(イ)に示すように燃料噴射弁10a,10bの燃料噴射角度θを大きくすることで、燃料噴霧の衝突位置をシリンダ軸方向で副室12へ近づける。これにより、エンジン回転速度が高くなり、ピストン上死点までの期間が短い場合においても、副室12内に燃焼に適した混合気を供給することができる。
As shown in FIG. 9C, as the engine speed increases, the fuel injection angle θ of the
また、図9(ニ)に示すようにエンジン負荷が高くなる程、(ロ)に示すように燃料噴射弁10a,10bの燃料噴射角度θを小さくすることで、燃料噴霧の衝突位置を副室12の先端部12a(連通路11)の位置Y’からシリンダ軸方向下側に所定距離L’だけ離れた位置X’にする。これにより、燃料噴射圧力が高い高負荷時には、副室12内に供給される混合気の濃度を調整して副室12内の混合気が過剰にリッチになることを防止する。
Further, as shown in FIG. 9D, as the engine load increases, the fuel injection angle θ of the
なお、この場合における効果は、燃料噴射圧力、燃料噴射開始時期により衝突位置を変化させる場合と同等であるが、燃料噴射角度θによる制御の場合は衝突位置が概ねシリンダ中央となるため、主燃焼室7内の混合気はシリンダ水平断面方向へ偏ることがないというメリットがある。このように燃料噴霧をシリンダ内で衝突(干渉)させ、副室12近傍に混合気を形成させるタイミング及び濃度を変化させることで、副室12内の混合気濃度をエンジン回転速度またはエンジン負荷に応じて最適化することができる。
The effect in this case is equivalent to the case where the collision position is changed depending on the fuel injection pressure and the fuel injection start timing. However, in the case of control by the fuel injection angle θ, the collision position is almost in the center of the cylinder, so the main combustion There is an advantage that the air-fuel mixture in the
図10は、クランク角度に対する混合気形成を示す図である。
図10(イ)では、クランク角度が下死点近傍にある時に、燃料噴射弁10a,10bから主燃焼室7内に燃料噴射を開始する状態を示している。(ロ)では、噴射された燃料噴霧同士が衝突して主燃焼室7内に混合気を形成する状態を示している。なお、ピストン4の上昇により副室12内には、主燃焼室7内に形成された混合気の一部が連通路11を介して供給される。(ハ)では、ピストン4が上死点近傍にある時に、副室12内の点火プラグ13によりトーチ点火を行う状態における混合気の状態を示している。
FIG. 10 is a diagram showing the mixture formation with respect to the crank angle.
FIG. 10A shows a state in which fuel injection is started from the
図示のエンジン1では、ピストン4の冠面が平坦になっているため、燃料噴射弁10a,10bから噴射された燃料噴霧は、トーチ点火が行われるタイミングである上死点近傍までには主燃焼室7全体に均質に分布する(図10(ハ))。そして、2つの燃料噴射弁10a,10bにより噴射された燃料噴霧は、主燃焼室7内で衝突して混合気を形成し、その混合気の一部が副室12内に供給され、副室12内に可燃混合気を形成するため、点火プラグ13により点火を行った時に、副室12の連通路11から略柱状の火炎を噴出し、主燃焼室7内でトーチ燃焼を行うことができる。
In the illustrated
本実施形態によれば、主燃焼室7と連通する副室12と、主燃焼室12内に直接噴射した複数の燃料噴霧同士を衝突させて、主燃焼室7内に混合気を形成すると共に、副室12内に混合気の一部を供給するよう燃料噴射を行う複数の燃料噴射弁(図1では、2つの燃料噴射弁10a,10b)と、副室12内の混合気に点火する点火装置(図1では点火プラグ13や点火コイル14を含む)と、を備える。このため、複数の燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧を衝突させて、主燃焼室7内に混合気を形成すると共に、その混合気の一部を副室12内に供給することができるため、副室12内に混合気を形成する燃料供給装置を別途設けなくとも、副室12内に可燃混合気を形成することができ、安定した燃焼が行える。
According to the present embodiment, the sub-chamber 12 communicating with the
また本実施形態によれば、複数の燃料噴射弁(図1では、2つの燃料噴射弁10a,10b)は、各燃料噴射圧力を運転条件(例えば、エンジン回転速度やエンジン負荷)に応じて変化させ、主燃焼室7内における燃料噴霧の衝突位置をシリンダ径方向に変化させる。このため、燃料噴射弁から噴射される燃料の速度が低い側にて燃料噴霧を衝突させ、副室12内へ供給する混合気の濃度を調節できる。
Further, according to the present embodiment, the plurality of fuel injection valves (in FIG. 1, the two
また本実施形態によれば、機関回転速度の上昇に伴って複数の燃料噴射弁(図1では、2つの燃料噴射弁10a,10b)の平均燃料噴射圧力を上昇させる。このため、機関回転数の上昇に伴って燃料噴霧の微粒化を促進でき、上死点までの時間が短くなる場合においても副室12近傍に混合気を形成し、副室12内に十分な混合気を供給することができる。
Further, according to the present embodiment, the average fuel injection pressure of the plurality of fuel injection valves (in FIG. 1, two
また本実施形態によれば、複数の燃料噴射弁(図1では、2つの燃料噴射弁10a,10b)は、各燃料噴射開始時期を運転条件(例えば、エンジン回転速度やエンジン負荷)に応じて変化させ、主燃焼室7内における燃料噴霧の衝突位置をシリンダ径方向に変化させる。このため、燃料噴射開始時期の遅い側にて燃料噴霧を衝突させ、副室12内へ供給する混合気の濃度を調節できる。そして、燃料噴射圧力を過度に高圧化する必要がなく、低コストで実現できる。更に、複数の燃料噴霧間の微粒化レベルが同一のため、主燃焼室7側の混合気の均質性を保つことができる。
Further, according to the present embodiment, the plurality of fuel injection valves (in FIG. 1, the two
また本実施形態によれば、機関回転速度の上昇に伴って主燃焼室7内における燃料噴霧の衝突位置を副室12へ近づける。このため、例えば高負荷時のように燃料噴射から圧縮上死点まで燃料の混合時間が低負荷時に比べて相対的に短く、副室12内へ流入する混合気量が減少し、副室12内のガスが希薄となり点火が不安定となり易い場合であっても、副室12内に可燃混合気を安定して供給できる。
Further, according to the present embodiment, the collision position of the fuel spray in the
また本実施形態によれば、機関負荷の増大に伴って主燃焼室7内における燃料噴霧の衝突位置を副室12から遠ざける。このため、副室12近傍に形成される混合気が希薄になり、副室12内の混合気が過剰にリッチになることを防止できる。
また本実施形態によれば、燃料噴射弁10a,10bの燃料噴射角度θを変える噴口角可変機構を有し、該噴口角可変機構は、燃料噴霧の衝突位置をシリンダ軸方向に変化させる。このため、燃料噴霧の衝突位置をシリンダ水平方向にずらす必要をなく、副室12へ供給する混合気の濃度を可変することができる。図1に示すように、副室12を主燃焼室7の略中央位置に形成した場合には、燃料噴霧の衝突位置を副室12の概ね真下にすることで、主燃焼室7にて対称性の良い混合気ができる。
Further, according to the present embodiment, the collision position of the fuel spray in the
Moreover, according to this embodiment, it has the nozzle angle variable mechanism which changes the fuel injection angle (theta) of the
次に、本発明の第2の実施形態について図11を用いて説明する。
図11(イ)は、第2の実施形態のエンジン1の構成を示す図であり、その構成は第1の実施形態で説明した構成とほぼ同様である。しかし、ピストン4の冠面にキャビティ4aを形成している点で相違している。
なお、燃料噴射弁10a,10bとしては、図11(ロ)に示すように、先端部に複数の燃料噴射孔を有するマルチホール噴射弁を用いている。これにより、燃料噴射弁10a,10bから噴射される燃料は、燃料噴霧の断面で見た場合に、円周方向の所定間隔に噴射されるようになっている。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 11A is a diagram showing the configuration of the
As the
この実施形態では、所定の成層燃焼運転条件にて、燃料噴霧を衝突させて主燃焼室7内に成層混合気を形成して成層燃焼を行う成層燃焼運転モードを有する。なお、所定の成層燃焼運転条件は、エンジン回転速度およびエンジン負荷に応じて予め設定しておく。例えば、エンジン回転速度およびエンジン負荷が所定の運転領域(例えば、エンジン回転低速および低負荷の領域)内にある場合に、所定の成層燃焼運転条件を満たすものとする。
This embodiment has a stratified combustion operation mode in which stratified combustion is performed by forming a stratified mixture in the
そして、主燃焼室7内において成層混合気の形成を促進するため、ピストン4の冠面にはシリンダ軸上側から平面視して略円形のキャビティ4aを形成する。キャビティ4aには、略円形の底部の周縁部からシリンダ軸方向上側に形成される側壁部が形成されている。
キャビティ4aは、概ね燃料噴霧が衝突・干渉する位置のシリンダ軸方向真下に形成されており、燃料噴霧の衝突位置がシリンダ水平断面方向へオフセットした場合でも、衝突した燃料噴霧がキャビティ4a内およびシリンダ軸方向上側に成層混合気を形成可能な口径になっている。
In order to promote the formation of the stratified mixture in the
The
キャビティ4aには、主燃焼室7内にて燃料噴霧が衝突した時、シリンダ軸方向下側に下降した燃料噴霧がキャビティ4aに衝突し、キャビティ4aの底部および側壁部を介して燃料噴霧の上昇気流を形成し、成層混合気を形成する。
また、前述のように2つの燃料噴射弁10a,10bから噴射された燃料噴霧は、衝突した後に副室12内に混合気を供給する。そして、点火プラグ13により副室12内にて点火を行うことで、副室12の連通路11から主燃焼室7内の成層混合気に略柱状の火炎を噴出し、トーチ燃焼を行う。
When fuel spray collides with the
Further, as described above, the fuel sprays injected from the two
ここで、仮にピストン冠面のキャビティのみを利用して主燃焼室内の混合気を副室内へ誘導した場合には、燃料噴霧とピストンキャビティとの位置関係が燃料噴射開始時期やエンジン回転速度により幾何学的に変化してしまうため、エンジン回転高速の時では副室内への燃料供給が難しいことに加えて、シリンダ壁面への燃料付着により未燃焼成分であるHCの排出量の増大やスモークの悪化が懸念される。 Here, if the air-fuel mixture in the main combustion chamber is guided into the sub chamber using only the cavity of the piston crown surface, the positional relationship between the fuel spray and the piston cavity depends on the fuel injection start timing and the engine speed. In addition to the difficulty in supplying fuel to the sub-chamber at high engine speeds, the amount of unburned HC emissions increases and smoke worsens due to fuel adhering to the cylinder wall. Is concerned.
しかしながら、本実施形態では、主燃焼室7内で燃料噴霧を衝突させ、副室12内に混合気を供給すると共に、キャビティ4a内およびこのシリンダ軸方向上側に成層混合気を形成することで、シリンダ壁面への燃料付着によるHCの排出量の増大やスモークの悪化を防止する。
図12では、図11(ロ)に示すマルチホール噴射弁から燃料を噴射したときに、噴射された燃料噴霧がコアンダ効果によりすぼめられる状態を示している。すなわち、燃料噴射弁10a,10bから噴射された燃料噴霧は、燃料噴霧干渉後にコアンダ効果によるすぼみが発生し、燃料噴射弁10a,10bの軸方向(燃料噴霧の中心線方向)へは微粒化した液滴のみが周囲の流動により運ばれる特性がある。このため、主燃焼室7内の空間にて複数の燃料噴霧を干渉・衝突させた場合においても衝突後の液滴の跳ね返りなどが少なく混合気サイズをコンパクトにすることができ、早期に燃料噴射を行っても混合気の拡散が進みにくいという効果が得られる。
However, in the present embodiment, the fuel spray is collided in the
FIG. 12 shows a state where the injected fuel spray is swollen by the Coanda effect when fuel is injected from the multi-hole injection valve shown in FIG. That is, the fuel spray injected from the
図13は、このようなマルチホール噴射弁を用いた場合において、クランク角度に対して主燃焼室7内に混合気を形成する状態を示している。
主燃焼室7内で衝突(もしくは干渉)させた燃料噴霧を受け止めるキャビティ4a内で成層混合気を形成する点以外は、基本的な制御方法において第1の実施形態と同じである。
FIG. 13 shows a state in which an air-fuel mixture is formed in the
The basic control method is the same as that of the first embodiment except that the stratified mixture is formed in the
すなわち、燃料噴射弁10a,10bから噴射される燃料の噴射圧力や噴射開始時期などを制御して、運転条件に応じて副室12近傍位置または副室12から所定距離Lだけ離れた位置にて燃料噴霧を衝突させ、主燃焼室7内のキャビティ4a内およびその上側に混合気を形成すると共に、副室12内に供給される混合気の濃度を調節する。
なお、コアンダ効果により燃料噴霧をすぼめるような燃料噴霧特性では、均質運転時は反して燃焼室中央へ混合気が成層化されてしまい燃焼室全体へ均質に分布させることが難しい。
That is, by controlling the injection pressure of the fuel injected from the
In addition, in the fuel spray characteristic in which the fuel spray is reduced by the Coanda effect, the air-fuel mixture is stratified to the center of the combustion chamber on the contrary in the homogeneous operation, and it is difficult to distribute it uniformly throughout the combustion chamber.
このため、図14に示すように、均質運転時には、2つの燃料噴射弁10a,10bの各燃料噴射開始時期に位相差を設けて交互に多段噴射を行うことで、噴射された燃料噴霧の干渉(衝突)を行わない制御を行う。これによりシリンダ内の混合気の均質化を進める。なお、燃料噴射弁が3つ以上ある場合には、各燃料噴射弁は、それぞれ交替して燃料噴射を行い、燃料噴霧を衝突させないようにする。
For this reason, as shown in FIG. 14, during homogeneous operation, a phase difference is provided at each fuel injection start timing of the two
また、均質運転時には、2つの燃料噴射弁10a,10bうち一方の燃料噴射弁のみで燃料噴射を行い、主燃焼室7内に成層混合気を形成するようにしてもよい。この場合、他方の燃料噴射弁からの燃料噴射を休止させるように制御する。この場合は流動を強化することで均質化が図られる。
本実施形態によれば、燃料噴射弁10a,10bは、先端部に複数の燃料噴射孔を有するマルチホール噴射弁である。このため、図12に示すように、初期噴霧などのコアンダ効果によるすぼみ現象により流動に乗って微粒化した液滴および混合気を衝突させることで燃料噴霧の微粒化を図り、スモークやHCの悪化を抑制できる。
Further, during the homogeneous operation, fuel injection may be performed with only one of the two
According to the present embodiment, the
また本実施形態によれば、ピストン4にキャビティ4aを形成した。このため、燃料噴霧が衝突して形成された混合気をキャビティ4a内およびその上側に保持できる。そして、拡散に強い界面の明確な混合気が形成でき、未燃HCの悪化を防止できる。
また本実施形態によれば、所定の成層燃焼運転条件(例えば、エンジン回転低速および低負荷時)では、複数の燃料噴霧同士を衝突させて主燃焼室7内に成層混合気を形成し、副室12内の混合気に点火して、主燃焼室7内の成層混合気の燃焼を行う。このため、例えば低負荷において主燃焼室7内で燃料噴霧を衝突させて成層混合気を生成することができ、安定した運転ができる。
According to the present embodiment, the
Further, according to the present embodiment, under predetermined stratified combustion operation conditions (for example, at low engine speed and low load), a plurality of fuel sprays collide with each other to form a stratified mixture in the
また本実施形態によれば、均質運転時には、複数の燃料噴射弁10a,10bは、それぞれ交替して燃料噴射を行い、燃料噴霧の衝突をさせない。このため、均質運転時には、主燃焼室7全体に均質な混合気を形成できる。
また本実施形態によれば、均質運転時には、複数の燃料噴射弁10a,10bは、いずれか1つのみから燃料噴射を行い、燃料噴霧の衝突をさせない。このため、均質運転時には、容易な制御にて主燃焼室7全体に均質な混合気を形成することができる。
Further, according to the present embodiment, during the homogeneous operation, the plurality of
Further, according to the present embodiment, during the homogeneous operation, the plurality of
1 エンジン
2 シリンダヘッド
3 シリンダブロック
4 ピストン
4a キャビティ
7 主燃焼室
10a,10b 燃料噴射弁
11 連通路
12 副室
12a 先端部
13 点火プラグ
14 点火コイル
15 クランク角センサ
16 アクセルペダルセンサ
17 燃料圧力検出センサ
20 ECU
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記主燃焼室内に直接噴射した複数の燃料噴霧同士を衝突させて、前記主燃焼室内に混合気を形成すると共に、前記副室内に前記混合気の一部を供給するよう燃料噴射を行う複数の燃料噴射弁と、
前記副室内の混合気に点火する点火装置と、
を備えることを特徴とする副室式内燃機関。 A sub-chamber communicating with the main combustion chamber;
A plurality of fuel sprays directly injected into the main combustion chamber collide with each other to form an air-fuel mixture in the main combustion chamber, and a plurality of fuel injections to supply a part of the air-fuel mixture into the sub chamber A fuel injection valve;
An ignition device for igniting the air-fuel mixture in the sub chamber;
A sub-chamber internal combustion engine comprising:
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- 2005-11-16 JP JP2005331576A patent/JP2007138780A/en active Pending
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