(57)【要約】【課題】簡易な構成にて成層燃焼および均質燃焼の両方を成立させる筒内直噴ＣＮＧエンジンを提供すること。【解決手段】エンジン運転条件に応じて成層燃焼と均質燃焼を切り替えるＣＮＧエンジン１０において、頂面に実質的にキャビティを有しないフラットピストン１２と、燃焼室１０ａ内の吸気側に配設されたインジェクタ２３と、点火プラグ１４とを少なくとも備え、インジェクタ２３の噴射角度θは、低負荷かつ低回転域の成層燃焼時に噴射された燃料噴霧２３ａが、混合気を形成しながらフラット頂面１２ａに反射して点火プラグ１４近傍に導かれる一方、高負荷かつ高回転域の均質燃焼時に噴射された燃料噴霧２３ａが、混合気を形成しながらフラット頂面１２ａおよび排気側のシリンダボア壁１１ａを利用して点火プラグ１４近傍に導かれるように設定されている。【選択図】      図１
2004353462.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの運転条件に応じて成層燃焼と均質燃焼とを切り替える筒内直噴ＣＮＧエンジンにおいて、
シリンダボア内に往復自在に設けられ頂面に実質的にキャビティを有しないフラットピストンと、
燃焼室内の吸気側に配設されＣＮＧ燃料を当該燃焼室内に直接噴射する燃料噴射弁と、
前記燃焼室のほぼ中央に配設された点火プラグと、
を少なくとも備え、
前記燃料噴射弁の噴射孔の向きと前記フラットピストンの頂面とのなす角度は、
低負荷かつ低回転域の成層燃焼時に噴射された燃料噴霧が、混合気を形成しながら前記フラットピストンの頂面に反射して前記点火プラグ近傍に導かれる一方、
高負荷かつ高回転域の均質燃焼時に噴射された燃料噴霧が、混合気を形成しながら前記フラットピストンの頂面および排気側のシリンダボア壁を利用して前記点火プラグ近傍に導かれるように、
設定されていることを特徴とする筒内直噴ＣＮＧエンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧縮天然ガス（ＣＮＧ：Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ  Ｎａｔｕｒａｌ  Ｇａｓ）を筒内に直接噴射し、エンジンの運転条件に応じて成層燃焼と均質燃焼とを切り替え可能な筒内直噴ＣＮＧエンジンに関し、さらに詳しくは、簡易な構成によって成層燃焼および均質燃焼の両方を成立させることができる筒内直噴ＣＮＧエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エネルギー対策や環境対策等の観点から、自動車用内燃機関の燃料として圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を利用するとともに、その燃費の向上や出力向上を図るべく、筒内にＣＮＧ燃料を燃料噴射弁によって直接噴射し、エンジンの運転条件に応じて成層燃焼と均質燃焼とを切り替え可能な筒内直噴ＣＮＧエンジン（以下、適宜ＣＮＧエンジンと記す）の開発が盛んに行われており、種々の技術が提案されている。
【０００３】
たとえば、ピストン頂面にキャビティを有する筒内直噴ＣＮＧエンジン（特許文献１参照）や、ピストン頂面に凸部を有する筒内直噴ＣＮＧエンジン（特許文献２参照）が開示されている。
【０００４】
なお、キャビティを有しないピストンを備え、シリンダブロックに吸排気ポートを有する２サイクルの直噴ＬＰＧ（液化天然ガス）エンジン（特許文献３参照）等が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−３２８９９７号公報
【特許文献２】
特開２００２−２２１０３７号公報
【特許文献３】
特表２０００−５０３７４５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記第１および第２の従来技術にあっては、成層燃焼を行うために、ピストンにキャビティを形成し、これによって可燃混合気である燃料噴霧を点火プラグ近傍に導いている。
【０００７】
しかしながら、均質燃焼時においては、このキャビティの作用により、点火プラグ付近へのリッチな混合気の集中によって熱効率が低下し、混合気の均質性が悪いためにトルクも低下するという課題があった。すなわち、成層燃焼と均質燃焼とが両立していなかった。
【０００８】
また、ピストンにキャビティを形成するために、コストアップとなるという課題があった。
【０００９】
さらに、第３の従来技術にあっては、フラットピストンを備えてはいるが、２サイクル直噴ＬＰＧエンジンに関する技術であり、本質的にエンジン構成が異なるとともに、直噴ＣＮＧエンジンについて簡易な構成によって成層燃焼および均質燃焼の両方を成立させるための手段については開示されていない。
【００１０】
この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成によって成層燃焼および均質燃焼の両方を成立させることができる筒内直噴ＣＮＧエンジンを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、この発明に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンは、エンジンの運転条件に応じて成層燃焼と均質燃焼とを切り替える筒内直噴ＣＮＧエンジンにおいて、シリンダボア内に往復自在に設けられ頂面に実質的にキャビティを有しないフラットピストンと、燃焼室内の吸気側に配設されＣＮＧ燃料を当該燃焼室内に直接噴射する燃料噴射弁と、前記燃焼室のほぼ中央に配設された点火プラグとを少なくとも備え、前記燃料噴射弁の噴射孔の向きと前記フラットピストンの頂面とのなす角度は、低負荷かつ低回転域の成層燃焼時に噴射された燃料噴霧が、混合気を形成しながら前記フラットピストンの頂面に反射して前記点火プラグ近傍に導かれる一方、高負荷かつ高回転域の均質燃焼時に噴射された燃料噴霧が、混合気を形成しながら前記フラットピストンの頂面および排気側のシリンダボア壁を利用して前記点火プラグ近傍に導かれるように設定されていることを特徴とするものである。
【００１２】
ＣＮＧ燃料は気体燃料であるため、液体燃料（たとえば、ガソリン）のようにピストンへの付着やボアフラッシング（オイル希釈）といった問題が生じない。また、燃料噴霧速度が速く、気化による運動量低下がないので、燃焼室を形成する面での反射等を利用し易い。これらの特長を踏まえ、上記のように構成した結果、以下のような作用効果を奏する。
【００１３】
すなわち、低負荷かつ低回転域では、燃料噴射期間が短く空気との混合時間も短くて済むので、燃料噴霧を吸気側ピストン頂面で反射させ、混合気を点火プラグ近傍に導くように、比較的遅角側で噴射時期および点火時期を最適化することで成層燃焼を実現する。
【００１４】
また、上記の場合よりも負荷および回転数が高い領域では、燃料噴射期間が長く空気との混合時間も長くなるので、噴射初期は燃料噴霧を排気側ピストン頂面で反射させ、排気側シリンダボア壁を利用して混合気を点火プラグ近傍に導く。すなわち、上記低負荷かつ低回転域の場合よりも、進角側で噴射時期および点火時期を最適化することで成層燃焼を実現する。
【００１５】
また、高負荷かつ高回転域では、燃料噴霧を燃焼室全体で空気と混合させる必要があるので、燃料噴射時期をより進角側（圧縮行程前半あるいは吸気行程後半）に設定し、ピストン頂面および排気側シリンダボア壁を利用して燃焼室全体で混合させる。
【００１６】
したがって、この発明によれば、成層燃焼および均質燃焼の両方を成立させることができる。また、実質的にキャビティを有しないフラットピストンを備えているので、ピストン製作のコストダウンを図ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンの実施の形態につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１８】
ＣＮＧ燃料は気体燃料であるため、液体燃料（たとえば、ガソリン）のようにピストンへの付着やボアフラッシング（オイル希釈）といった問題が生じない。また、燃料噴霧の速度が速く、気化による運動量低下がないので、燃焼室を形成する各壁面での反射等を利用し易い。そこで、これらの特長を踏まえて、この発明を以下のように構成した。
【００１９】
ここで、図１は、この発明の実施の形態に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンの概略構成を示す断面図であり、燃焼室内における燃料噴霧の流れの様子を模式的に示したものである。
【００２０】
また、図２は、燃料噴霧が混合気を形成しながらフラット頂面の排気側で反射し、排気側のシリンダボア壁を利用して点火プラグ近傍に導かれる様子を示す模式図である。
【００２１】
また、図３は、燃料噴霧が混合気を形成しながらフラット頂面の吸気側で反射し、点火プラグ近傍に導かれる様子を示す模式図である。
【００２２】
また、図４は、燃料噴霧がフラット頂面とシリンダボア壁の全体を利用して混合気を形成する様子を示す模式図である。
【００２３】
図１に示すように、ＣＮＧエンジン１０は、後述するインジェクタ２３によってＣＮＧ燃料を燃焼室１０ａに直接噴射する直噴式であり、通常の直噴式のガソリンエンジンの構成とほぼ同様に構成され、エンジンの運転条件に応じて成層燃焼と均質燃焼とを切り替え可能に構成されている。
【００２４】
このＣＮＧエンジン１０の燃焼室１０ａは、シリンダボア１１とシリンダヘッド１３とシリンダボア１１内に往復自在に配設されたフラットピストン１２とによって構成されている。このフラットピストン１２の頂面は、実質的にキャビティを有しておらず、ほぼ平坦なフラット頂面１２ａとして形成されている。
【００２５】
燃焼室１０ａのほぼ中央には、混合気に点火するための点火プラグ１４が配設されている。また、燃焼室１０ａを臨む吸気ポート１５には吸気弁１６が配設され、燃焼室１０ａを臨む排気ポート１８には排気弁２０が配設されている。また、燃焼室１０ａの吸気弁１６近傍には、ＣＮＧ燃料を燃焼室１０ａに直接噴射するインジェクタ２３が配設されている。
【００２６】
このインジェクタ２３の噴射孔の向きとフラット頂面１２ａとのなす角度、すなわち噴射角度θは、図２〜図４に示した混合気形成パターンをすべて満足するように設定されている。
【００２７】
すなわち、噴射角度θは、図３に示すように、低負荷かつ低回転域の成層燃焼時に噴射された燃料噴霧２３ａが、混合気を形成しながらフラット頂面１２ａに反射して点火プラグ１４近傍に導かれるように設定されている。
【００２８】
また、噴射角度θは、上記の場合よりも負荷および回転数が高い領域においては、図２に示すように、噴射初期の燃料噴霧２３ａが排気側のフラット頂面１２ａで反射し、排気側のシリンダボア壁１１ａを利用して点火プラグ１４近傍に導かれるように設定されている。
【００２９】
また、噴射角度θは、図４に示すように、高負荷かつ高回転域の均質燃焼時に噴射された燃料噴霧２３ａが、混合気を形成しながらフラット頂面１２ａおよび排気側のシリンダボア壁１１ａを利用して点火プラグ１４近傍に導かれるように設定されている。
【００３０】
なお、ＣＮＧエンジン１０のその他の構成は、通常の直噴式のガソリンエンジンの構成とほぼ同様であるので、説明を省略する。
【００３１】
また、ＣＮＧエンジン１０のフラットピストン１２、点火プラグ１４、吸気弁１６、排気弁２０、インジェクタ２３等は、各種センサ情報等に基づいて、図示しない電子制御ユニット（ＥＣＵ）によって制御されている。
【００３２】
以上のように構成したＣＮＧエンジン１０は、以下のように制御される。すなわち、図３に示すように、低負荷かつ低回転域では、燃料噴射期間が短く、空気との混合時間も短くて済むので、燃料噴霧２３ａを吸気側のフラット頂面１２ａで反射させ、混合気を点火プラグ１４近傍に導くように、比較的遅角側で噴射時期および点火時期を最適化することで成層燃焼を実現する。
【００３３】
また、図２に示すように、上記の場合よりも負荷および回転数が高い領域では、燃料噴射期間が長く、空気との混合時間も長くなるので、噴射初期は燃料噴霧２３ａを排気側のフラット頂面１２ａで反射させ、排気側のシリンダボア壁１１ａを利用して混合気を点火プラグ１４近傍に導く。すなわち、上記低負荷かつ低回転域の場合よりも、進角側で噴射時期および点火時期を最適化することで成層燃焼を実現する。
【００３４】
また、図４に示すように、高負荷かつ高回転域では、燃料噴霧２３ａを燃焼室１０ａ全体で空気と混合させる必要があるので、燃料噴射時期をより進角側（圧縮行程前半あるいは吸気行程後半）に設定し、フラット頂面１２ａおよび排気側のシリンダボア壁１１ａを利用して燃焼室１０ａ全体で混合させる。
【００３５】
以上のように、この実施の形態に係るＣＮＧエンジン１０によれば、成層燃焼および均質燃焼の両方を成立させることができる。また、このＣＮＧエンジン１０は、実質的にキャビティを有しないフラットピストン１２を備えているので、ピストン製作のコストダウンを図ることができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンによれば、成層燃焼および均質燃焼の両方を成立させることができる。また、この筒内直噴ＣＮＧエンジンは、実質的にキャビティを有しないフラットピストンを備えているので、ピストン製作のコストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンの概略構成を示す断面図である。
【図２】燃料噴霧が混合気を形成しながらフラット頂面の排気側で反射し、排気側のシリンダボア壁を利用して点火プラグ近傍に導かれる様子を示す模式図である。
【図３】燃料噴霧が混合気を形成しながらフラット頂面の吸気側で反射し、点火プラグ近傍に導かれる様子を示す模式図である。
【図４】燃料噴霧がフラット頂面とシリンダボア壁の全体を利用して混合気を形成する様子を示す模式図である。
【符号の説明】
θ  噴射角度
１０  ＣＮＧエンジン
１０ａ  燃焼室
１１  シリンダボア
１１ａ  シリンダボア壁
１２  フラットピストン
１２ａ  フラット頂面
１３  シリンダヘッド
１４  点火プラグ
１５  吸気ポート
１６  吸気弁
１８  排気ポート
２０  排気弁
２３  インジェクタ（燃料噴射弁）
２３ａ  燃料噴霧
【図１】
2004353462.tif 000003
【図２】
2004353462.tif 000004
【図３】
2004353462.tif 000005
【図４】
2004353462.tif 000006