JPH1113512A - 筒内直接噴射内燃機関 - Google Patents

筒内直接噴射内燃機関

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JPH1113512A
JPH1113512A JP9172099A JP17209997A JPH1113512A JP H1113512 A JPH1113512 A JP H1113512A JP 9172099 A JP9172099 A JP 9172099A JP 17209997 A JP17209997 A JP 17209997A JP H1113512 A JPH1113512 A JP H1113512A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 この発明は筒内直接燃料噴射内燃機関に関
し、成層燃焼時の機関本体の過剰冷却を防止しつつ予混
合燃焼時の冷却性を確保することを目的とする。 【解決手段】 燃料噴射弁からの燃料噴射は低負荷時は
圧縮行程において行われ、混合気を点火栓電極近傍に形
成することにより成層燃焼が行われ、高負荷時は燃料噴
射は吸気行程において行われ、混合気を燃焼室に均等に
分布させることにより予混合燃焼が行われる。予混合燃
焼時は冷却水ポンプ42よりラジエータ40を介して内燃機
関本体の冷却水路30, 32, 34に戻る冷却水の循環流が形
成される。また、成層燃焼時水量制御弁45を絞ることに
より燃料噴射弁と対向したシリンダブロック内水路30へ
の冷却水量を抑え、燃焼室壁面に付着した燃料の霧化促
進を行う。成層燃焼時は冷却水はラジエータ40を迂回さ
れ、冷却水ポンプ40と内燃機関本体内の冷却水路30, 3
2, 34との間で循環が行われる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は運転条件に応じて
成層燃焼と均質燃焼との切り替えを行う筒内直接噴射内
燃機関における冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ガソリンを燃料とする筒内直接噴射内燃
機関において、軽負荷運転時は燃料噴射を圧縮行程にお
いて行い、点火栓電極近傍のみに可燃混合気を形成する
ことにより成層燃焼を行わせ、一方高負荷運転時には燃
料噴射を吸気行程において行うことで噴射された燃料が
空気と混合してから燃焼を行わせるように切り替えを行
うものが公知である（特開平５−５２１４５号公報）。
これにより軽負荷運転時には希薄空燃比での運転を可能
とすることにより燃料消費効率の向上を図り、一方高負
荷運転時には必要な出力を得ることがきる。このような
成層燃焼と予混合燃焼との切り替えを行う内燃機関にお
いてもその冷却は通常は冷却水により行なわれるが、従
来は成層燃焼と予混合燃焼とで冷却方式を変えるという
ことは格別にはされていなかった。即ち、内燃機関の冷
却系は定められた流路に冷却水を循環させ、ラジエータ
で熱を放出する原理であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】成層燃焼と予混合燃焼
とを切り替える筒内直接噴射内燃機関では冷却系は予混
合燃焼方式に適合されていた。このため、成層燃焼では
機関の冷却が過剰となり、以下の問題が生じていた。即
ち、成層燃焼時は点火栓電極近傍のみに可燃混合気を形
成し、燃焼を行わせるため、燃料噴射から点火までの時
間が短く、一方、エンジンブロックの温度は低いため、
燃料液滴の気化が十分に行なわれず、未燃焼炭化水素(H
C)成分の排出量が増加するおそれがあった。また、点火
栓電極に燃料が付着した場合、エンジンブロックの低温
により、点火栓電極のくすぶりが発生しやすい。また、
ピストン中央部と外周部とで温度差が大きく、熱歪みに
よる変形が生じ易く、ピストンスカッフにいたる。
【０００４】この発明はこのような従来技術の欠点に鑑
みてなされたものであり、成層燃焼時の機関本体の過剰
冷却を防止しつつ予混合燃焼時は機関本体の必要な冷却
性を確保することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この発明は上記課題を解
決するため請求項１に記載の技術手段を採用する。この
技術手段によれば、噴射時期の変化に伴って、内燃機関
の冷却水の流通状態を変化させることにより、燃焼方式
に係わらず最適な冷却状態を得ることができる。
【０００６】請求項２に記載の技術手段によれば、ラジ
エータの通過流量とバイパス流量との比率を予混合燃焼
と成層燃焼とで変化させることで、請求項１と同様の効
果を奏する。請求項３の技術手段によれば、成層燃焼時
にラジエータバイパスする流量比率を増加させること
で、成層燃焼時における過冷却及びこれに伴うプラグの
くすぶりを防止することができる。
【０００７】請求項４に記載の技術手段によればラジエ
ータへのバイパスを噴射時期に応じて開閉することによ
り燃焼方式に係わらず一定の冷却状態を得ることができ
る。請求項５に記載の技術手段によれば吸気行程噴射時
に燃料噴射弁と対向したライナ側への冷却水量を減少さ
せることで、この燃料噴射弁と対向したライナ面の温度
を高め壁面付着燃料の霧化を促進させることができる。
【０００８】請求項６に記載の技術手段によれば、ラジ
エータへの循環水量を成層運転時に迂回させることで請
求項２と同様の効果を奏する。また、請求項７に記載の
技術手段によれば、冷却水量を温度差を解消するように
制御することで、同様な効果を奏することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】図１はこの発明実施形態における
筒内直接噴射内燃機関の全体構成を示しており、１０は
シリンダブロックであり、シリンダブロック１０はシリ
ンダボア10-1を形成しており、シリンダボア10-1のライ
ナ面においてピストン１２が上下摺動自在に設けられて
いる。シリンダヘッド１４はシリンダブロック１０上に
取り付けられ、燃焼室１６がシリンダブロック１０とシ
リンダヘッド１４との間に形成されている。点火栓１８
がシリンダヘッド１４に取り付けられ、その電極18-1は
燃焼室１６を臨むように設けられる。また、燃料噴射弁
２０がシリンダヘッド１４の片側に取り付けられ、その
噴口20-1は燃焼室１６にその上側面側において開口して
いる。シリンダヘッド１４に吸気弁２２及び排気弁２４
が設けられ、吸気弁２２は吸気ポート２６を開閉し、排
気弁２４は排気ポート２８の開閉を行う。
【００１０】次に、冷却系について説明すると、３０は
シリンダブロック１０内における燃料噴射弁２０の設置
側と反対側に形成される冷却用水路であり、３２はシリ
ンダブロック１０内における燃料噴射弁２０の設置側に
形成される冷却用水路、３４はシリンダヘッド１４に形
成される冷却用の水路を示している。一方、４０はラジ
エータであり、その下端はウォータポンプ４２及び送り
側冷却水通路４４を介して機関本体の水路30, 32, 34の
入口端に接続されている。送り側冷却水通路４４をシリ
ンダブロック１０内の水路３０に接続する通路44-1には
水流制御弁４５が設けられる。水流制御弁４５は送り側
冷却水通路４４からシリンダブロック１０内の水路３０
への冷却水の流量を可変とするように機能する。水路3
0, 32, 34の出口端( 図示しない) は戻り側冷却水通路
４６及び水路制御弁４８を介してラジエータ４０の入口
タンク40-1に接続される。水流制御弁４５とウォータポ
ンプ４２との間にはバイパス通路５０が設けられる。水
路制御弁４８は戻り通路４６からの冷却水をラジエータ
４０に導入する第１位置と、戻り通路４６からの冷却水
をバイパス通路５０よりウォータポンプ４２に戻す第２
位置（ラジエータ４０をバイパスする位置）との間を切
り替えるためのものである。
【００１１】図１において、制御回路５２はマイクロコ
ンピュータより構成され、エンジンの回転数や負荷等の
各運転条件を検出するセンサからの信号により必要な演
算を行う。制御回路５２による燃料噴射弁２０の作動は
高負荷時には予混合燃焼を行うため吸気行程において噴
射が行われ、軽負荷時には成層燃焼を行うため圧縮行程
において噴射が行われるようになっている。即ち、図２
は予混合燃焼における燃料噴射動作を示しており、(イ)
に示すように吸気行程に入りピストン１２が矢印ａのよ
うに下降の途中において燃料噴射弁２０からの噴射が行
なわれ、燃料噴射弁２０の噴口から噴射ｆが燃焼室１６
に向かって行われる。(ロ) のようにピストン１２の下
降、即ち吸気行程は続けられ、燃料は燃焼室内へ拡散し
てゆき、ついで(ハ) においてピストン１２は矢印のよう
に上昇に切り替わる。燃料は燃焼室内に均質に広がり、
ピストン１２の上昇が続き、(ニ) を経て、(ホ) で示すピ
ストンの上死点位置付近において点火栓１８の電極に火
花が形成され、その結果、燃焼室１６内に均質に分布す
る点火が行なわれる。
【００１２】一方、軽負荷時には、図３において、ピス
トン１２が下降する(イ) 、(ロ) の吸気行程では燃料噴射
は行なわれず、ピストン１２が矢印のように上昇に転じ
た後の圧縮行程において(ニ) に示すように燃料噴射弁２
０からの燃料噴射ｇが行なわれる。このとき、燃料噴射
弁２０からの噴霧は点火栓１８の電極18-1付近に集ま
り、その付近に可燃混合気の領域を形成する。上死点の
手前の(ホ) の位置で点火栓の電極に火花が形成される
と、可燃混合気の部分に点火が行なわれる。
【００１３】成層燃焼を行う場合、冷却系を予混合燃焼
用に適合させた場合、過冷却が起こりやすい。即ち、燃
焼は点火栓電極18-1の近傍のみに存在する可燃混合気の
部分において行なわれ、シリンダブロック１０及びシリ
ンダヘッド１４での受熱量は少ないからである。更に詳
しく説明すると、図３(ニ) を拡大して示す図４において
燃料噴射弁２０からの燃料噴射はピストン１２の上死点
付近において行われるが、この場合噴射された燃料ｆは
点火栓１８の電極18-1の付近に止まり、燃料ｆにより点
火栓電極18-1が強い冷却を浮け、くすぶりが発生しやす
い。また、過冷却により、摺動部のフリクションが増加
される。図５は図３(ホ) の拡大図であり、燃焼時の状態
を示しており、燃焼は点火栓１８の電極部18-1の近傍領
域Ｍのみで行われ、燃焼領域は燃焼室１６の中央部に限
られる。そのため、燃料噴射弁２０の先端部は燃焼域か
ら外れるため、燃料噴射弁２０の先端部の温度が低くな
り、燃料の微粒化状態も悪化し、未燃焼ＨＣ成分の排出
量が増加する。また、ピストン１２の中央部12-1と外周
部12-2との温度差が大きくなることから、ピストン１２
の熱歪みが生じ易く、ピストンスカッフも生じ易くな
る。
【００１４】成層燃焼時のこれらの問題点は冷却系を成
層燃焼用に適合することにより解消可能であるが、この
場合、予混合燃焼運転時に冷却不足のおそれがある。即
ち、図２(イ) 又は(ロ) の拡大図である図６に示すように
予混合燃焼時には燃料噴射はピストン１２の下降中に行
なわれ、燃料噴射弁２０からの噴霧が燃料噴射弁２０に
対向したシリンダ壁面（ライナ面）Ｐに付着しやすく、
付着燃料は冷却不足によりシリンダブロック１０の温度
が低いとすると、潤滑油に混入され、オイルダイリュー
ションを増加させるおそれがある。オイルダイリューシ
ョンは潤滑油粘土低下による潤滑不足の原因となる。
【００１５】以上のような、成層燃焼と予混合燃焼とで
冷却要求を適合させるための冷却系の切り替え動作につ
いて以下説明すると、図７はこの切替動作を説明するフ
ローチャートであり、ステップ１００で成層燃焼か否か
判断され、ステップ１００で否定判断のとき、即ち予混
合燃焼運転時はステップ１０２に進み制御回路５２は水
路制御弁４８を第１位置しと、戻り通路４６はラジエー
タ４０に接続され、バイパス通路５０から切り離され
る。即ち、第１位置での冷却水の流れを図８の(イ) に示
し、ウォータポンプ４２より、燃料噴射弁対向側水路３
０、燃料噴射弁側水路３２、シリンダヘッド内水路３
４、ラジエータ４０を経て、ウォータポンプ４２に戻る
冷却水の循環流が得られる。ステップ１０４では、制御
回路５２は水流制御弁４５の開度を全開から絞ることに
よりシリンダブロック１０における燃料噴射弁２０に対
向した側の水路３０への流量を燃料噴射弁２０の側の水
路３２への流量に比較して少なくする。このような制御
によりシリンダブロックにおける燃料噴射弁２０に対向
したライナ面の温度が燃料噴射弁２０の側のライナ面の
温度より高くされ、燃料噴霧の付着があった場合にライ
ナ面の高温により燃料の気化が促進され、オイルダイリ
ューションのおそれの解消を図ることができる。
【００１６】ステップ１００で肯定判断、即ち成層燃焼
運転時は制御回路５２はステップ１０６で水路制御弁４
８を第２位置しと、戻り通路４６をバイパス通路５０に
接続し、ラジエータ４０から切り離される。第２位置で
の冷却水の流れを図８の(ロ)に示し、ウォータポンプ４
２より、燃料噴射弁対向側水路３０、燃料噴射弁側水路
３２、シリンダヘッド内水路３４、バイパス通路５０を
経て、ウォータポンプ４２に戻る冷却水の循環流が得ら
れる。また、ステップ１０８では制御回路５２は水流制
御弁４５の開度を全開とし、水路30, 32への流れを均等
とする。成層燃焼時には冷却水がラジエータ４０を通さ
れないため、過冷却が未然に防止され、シリンダブロッ
ク及びシリンダヘッドの温度を高温に維持する。このた
め、点火栓電極18-1の温度は上昇され、くすぶり失火を
防止し、燃料噴射弁先端温度の上昇により噴霧の微粒化
が促進され、シリンダブロック温度上昇によりフリクシ
ョンが低下し、またピストンの熱歪み低減によりピスト
ンスカッフの防止を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はこの発明の内燃機関の全体概略構成図で
ある。
【図２】図２は予混合燃焼時における燃焼作動を段階的
に説明する図である。
【図３】図３は成層燃焼時における燃焼作動を段階的に
説明する図である。
【図４】図４は図３の(ニ) の拡大図であり成層燃焼時の
燃料噴霧と点火栓電極との位置関係を示している。
【図５】図５は図３の(ホ) の拡大図であり成層燃焼時の
燃料動作を示している。
【図６】図４は図２の(イ) 又は(ロ) の拡大図であり予混
合燃焼時の燃料噴霧によるシリンダ壁面の冷却を説明し
ている。
【図７】図７は冷却系の切替動作を説明するフローチャ
ートである。
【図８】図８は冷却系における冷却水の流れを予混合燃
焼時(イ) 、成層燃焼時(ロ) のそれぞれについて示す図で
ある。
【符号の説明】
１０…シリンダブロック １４…シリンダヘッド １６…燃焼室 １８…点火栓 18-1…点火栓電極 ２０…燃料噴射弁 ３０…シリンダブロック燃料噴射弁対向側水路 ３２…シリンダブロック燃料噴射弁側水路 ３４…シリンダヘッド内水路 ４０…ラジエータ ４２…ウォータポンプ ４５…水流制御弁 ４８…水路制御弁 ５０…バイパス通路 ５２…制御回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｄ 43/00 ３０１ Ｆ０２Ｄ 43/00 ３０１Ｊ ３０１Ｚ (72)発明者 今竹 信夫 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 杉山 雅則 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 井坂 憲司 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃料を筒内に直接噴射することにより燃
    焼を行わせる火花点火内燃機関で、運転状態に応じて燃
    料噴射時期を可変とすることにより燃焼形態を予混合燃
    焼と成層燃焼とで変化させる筒内直接噴射式内燃機関に
    おいて、噴射時期の変化に伴って、内燃機関の冷却水の
    流通状態を変化させることを特徴とする筒内直接噴射内
    燃機関。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の発明において、燃料噴
    射時期を吸気行程とする予混合燃焼と、圧縮行程とする
    成層燃焼時で、ラジエータを通る冷却水と、ラジエータ
    をバイパスする冷却水の流量比率を変化させることを特
    徴とする筒内直接噴射内燃機関。
  3. 【請求項３】 請求項１もしくは２に記載の発明におい
    て、燃料噴射時期を圧縮行程とする成層燃焼時には、ラ
    ジエータをバイパスする冷却水の流量比率を増加させる
    ように制御することを特徴とする筒内直接噴射内燃機
    関。
  4. 【請求項４】 請求項１に記載の発明において、燃料噴
    射時期を吸気行程とする予混合燃焼時は冷却水を全量ラ
    ジエータに流し、燃料噴射時期を圧縮行程とする成層燃
    焼時はラジエータをバイパスするように冷却水の流通状
    態の変化を行わせることを特徴とする筒内直接噴射内燃
    機関。
  5. 【請求項５】 請求項１ないし４に記載の発明におい
    て、噴射時期を吸気行程とする予混合燃焼時は燃料噴射
    弁と対向したライナ側の冷却水流量を少なくし、ライナ
    付着燃料の気化促進を図ることを特徴とする筒内直接噴
    射内燃機関。
  6. 【請求項６】 請求項１に記載の発明において、冷却装
    置はラジエータと、該ラジエータと機関本体内内の冷却
    水ジャケットとの間で冷却水の循環を行わしめる冷却水
    循環系とを備えた水冷型として構成され、更に、成層運
    転時にラジエータを迂回せしめる冷却水通路を具備した
    筒内直接噴射内燃機関。
  7. 【請求項７】 請求項１に記載の発明において、機関燃
    焼室内の構成部品の温度差を少なくするように冷却水量
    を可変とすることを特徴とする筒内直接噴射内燃機関。
JP17209997A 1997-06-27 1997-06-27 筒内直接噴射内燃機関 Expired - Fee Related JP3553765B2 (ja)

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EP98111804A EP0887526B1 (en) 1997-06-27 1998-06-26 Direct injection type engine and cooling system therefor
DE69811147T DE69811147T2 (de) 1997-06-27 1998-06-26 Direkteinspritzbrennkraftmaschine und Kühlsystem dafür

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