JP2003227338A - 火花点火式直噴エンジン - Google Patents
火花点火式直噴エンジンInfo
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Abstract
グ16を配設し、吸気側の周縁部にインジェクタ18を
配設するとともに、ピストン5冠面には凹部50を形成
し、該凹部50に沿って流れるタンブル流Tに対向する
ように燃料を噴射して、混合気を点火プラグ16の電極
付近に滞留させるようにした直噴エンジン1において、
気筒2の半径が大きいときでも、良好な着火安定性を確
保する。 【解決手段】 インジェクタ18による燃料の噴射方向
を、燃料噴霧の輪郭が点火プラグ16の電極に略接する
ように該電極の下方に向けて設定する。吸気ポート1
0,10の開口部を排気ポート11,11の開口部より
も小径とし、且つ該吸気ポート10,10の開口部同士
の間隔D1を排気ポート11,11の開口部同士の間隔
D2よりも大きくして、点火プラグ16を気筒中心線Z
よりも吸気側寄りに配置する。ターボ過給機40を備え
る。
Description
噴射した燃料噴霧の挙動をタンブル流により制御して、
点火プラグの電極周りに混合気を成層化させるようにし
た火花点火式直噴エンジンに関する。
ジンとしては、燃焼室に直接、噴射した燃料噴霧を比較
的強い空気流動に載せて点火プラグの電極側に輸送し、
気筒の点火時期近傍までに該点火プラグの電極周りに混
合気を層状に分布させるようにしたものが知られている
(例えば特開2000−104550号公報を参照)。
動に載せて輸送するようにしたものでは、気筒の点火時
期までに点火プラグ電極の付近に到達した混合気がその
後、電極付近を通過してしまうことになるので、混合気
に点火できる期間が短くて、点火時期制御の自由度が低
くならざるを得ず、着火安定性にも問題がある。
縮行程で燃焼室を流れるタンブル流を比較的弱いものと
し、その強さに均衡する比較的小さな貫徹力でもってタ
ンブル流に対向するように燃料を噴射させることによ
り、燃料噴霧を徐々に減速させて気筒の点火時期までに
点火プラグの電極の付近に到達させ、且つそこに滞留さ
せるという新規な層状混合気の形成方法を既に提案して
いる(特開2001−159315号公報参照)。
弁を気筒内の燃焼室の周縁部に臨ませて燃料を点火プラ
グ電極の下方(ピストン冠面側)に向かって噴射するよ
うに配設するとともに、ピストンの冠面には気筒中心線
に沿って見て前記燃料噴射弁からの燃料の噴霧方向に長
くなるようにレモン形状の凹部を設ける。そして、気筒
の圧縮行程において前記凹部内を燃料噴射弁に向かって
流れるタンブル流に対向させて、燃料を噴射させる。
料噴霧はあまり飛散することもなく、タンブル流によっ
て徐々に減速されながら移動し、その間に燃料の気化霧
化が十分に促進されて良好な燃焼性を有する混合気とな
り、気筒の点火時期までに点火プラグの電極の付近に到
達して、そこに滞留するようになる。従って、前記従来
までの直噴エンジン(特開2000−104550号公
報等)に比べて混合気に点火可能な時間が長くなり、比
較的良好な着火安定性が得られるとともに、点火時期制
御の自由度も高くなる。
ンジンにおいて前記の如く燃焼室に滞留する混合気の濃
度はその中心付近で高くなるから、混合気への着火性を
高めるためには、燃料噴射弁による燃料の噴射方向(燃
料噴霧の中心線)をできるだけ点火プラグの電極に近付
けることが好ましいが、一方で、燃料の液滴が直接、点
火プラグの電極に当たることは避けなければならない。
そこで、前記提案例の場合、気筒列方向から見て燃料噴
霧の輪郭(液滴のエリア)が点火プラグの電極に略接す
るようにして、該電極に噴霧の輪郭が掛からない範囲で
燃料の噴射方向をできるだけ上向き(燃焼室天井部寄
り)に設定している。
はその中心線に沿って外側に拡がる円錐状なので、前記
の如く燃料噴霧の輪郭が点火プラグ電極に掛からないよ
うにした場合、気筒の半径が大きいときほど、幾何学的
に燃料噴霧の中心と点火プラグの電極とが離れることに
なり、その点火プラグの電極付近における混合気の濃度
が相対的に低くなって、着火性が低下する傾向がある。
4307号公報には、点火プラグの燃焼室天井部からの
突出量を可変とする機構を設け、エンジンの均一燃焼状
態では点火プラグの突出量を小さくする一方、成層燃焼
状態では突出量を大きくして点火プラグの電極位置を混
合気の中心に近付けるようにするという技術が開示され
ている。しかし、このものでは高圧の燃焼室に臨む点火
プラグを進退作動させるための機構が複雑なものとな
り、信頼性にも問題が生じる虞れがあるし、動弁機構等
が配設されるシリンダヘッドの限られたスペースに新た
に点火プラグの作動機構を追加することが難しく、現実
的な対応とは言い難い。
であり、その目的とするところは、前記提案例(特開2
001−159315号公報)の如き火花点火式直噴エ
ンジンにおいて、主に燃焼室の天井部における点火プラ
グや燃料噴射弁のレイアウト構成に工夫を凝らすこと
で、気筒半径の相対的に大きいエンジンでも点火プラグ
の電極付近の混合気濃度を十分に高め得るようにして、
良好な着火安定性を確保することにある。
に、本発明の第1の解決手段では、燃焼室の天井部にお
いて吸気ポート開口部同士の間隔を排気ポート開口部よ
りも大きくし、その分、点火プラグを吸気側寄りに配置
して、該点火プラグの電極と燃料噴射弁の噴口とを近付
けるようにした。
ーフ型燃焼室の天井部に点火プラグを配設し、この天井
部の吸気側及び排気側の傾斜面にそれぞれ吸気及び排気
ポートを2つずつ開口させるとともに、吸気側の燃焼室
周縁部に燃料噴射弁を配設して、成層燃焼運転時には前
記燃焼室を流れるタンブル流に対向するように前記燃料
噴射弁により燃料を噴射させて点火プラグの電極周りに
成層化させるようにした火花点火式直噴エンジンを前提
とする。
方向を、気筒列方向に見て燃料噴霧の中心線と点火プラ
グの軸線とが交わる位置が、該点火プラグの電極からピ
ストン冠面側に(所定以上)離間するように設定すると
ともに、前記燃焼室の天井部を気筒中心線に沿って見
て、2つの吸気ポートの開口部同士の間隔を2つの排気
ポートの開口部同士の間隔よりも大きくし、且つ、前記
点火プラグの電極を気筒中心よりも吸気側寄りに位置付
ける構成とする。
転時には、気筒の圧縮行程中期以降に点火プラグの電極
の下方(ピストン冠面側)に向かって燃料が噴射され、
この燃料噴霧が気筒内の燃焼室を流れるタンブル流に略
正面から衝突して、その微粒化や空気との混合が促進さ
れるとともに、該タンブル流により減速されながら移動
して、気筒の点火時期までに混合気塊となって点火プラ
グの電極付近に滞留するようになる。
中心線に沿って進行方向に拡がる円錐状であり、この燃
料噴霧の輪郭が点火プラグの電極に掛からないように、
燃料の噴射方向が下向きに(ピストン冠面に向かうよう
に)設定されているので、気筒の半径が大きいときに
は、その分、燃料噴霧の中心と点火プラグの電極とが離
れることになり、該電極付近の混合気濃度が低くなっ
て、着火性の低下することが懸念される。
燃焼室の天井部において吸気側傾斜面に開口する吸気ポ
ート開口部同士の間隔を排気ポート開口部同士の間隔よ
りも大きくし、そのことによって燃焼室天井部の中心部
の吸気側にプラグホールの開口スペースを確保して、点
火プラグの電極を気筒中心よりも吸気側寄りに位置付け
るようにした。
ときであっても、その分だけ燃料噴射弁の噴口と点火プ
ラグの電極との間隔が拡がるのではなく、両者の間隔を
気筒半径の大小に拘わらず、適切な範囲に収めることが
可能となる。
部レイアウトの工夫によって、気筒半径の相対的に大き
いときでも点火プラグの電極と燃料噴射弁の噴口との間
隔を相対的に狭くすることができ、これにより、燃焼室
に滞留する混合気の中心を点火プラグの電極に近付け
て、該電極付近の混合気濃度を十分に高めることによっ
て、良好な着火安定性を確保することができる。
気筒列方向に見て吸気側傾斜面の外周側の端部よりも外
周側に位置付けた。このことで、燃焼室は外周側ほど温
度が低いので、燃料噴射弁の噴口部分を所定温度以下に
維持することが容易になり、該噴口付近のカーボンデポ
ジットの堆積を未然に防止できる。
び排気ポートをそれぞれ開口部が同径のものとし、且つ
該吸気ポート開口部の直径を排気ポート開口部の直径以
下とする。こうすることで、燃焼室の天井部における吸
排気ポートの各開口部面積をそれぞれ十分に大きなもの
としながら、吸気ポート開口部同士の間にプラグホール
を開口させるスペースを容易に確保することができる。
ける吸気側の弁揚程特性を、少なくとも高速側ないし高
負荷側の均一燃焼状態において作動角又はリフト量の少
なくとも一方が排気側よりも大きくなるように設定す
る。
が相対的に小さくても、高出力の要求される高速側ない
し高負荷側(高速側か高負荷側かの少なくとも一方)の
均一燃焼状態において十分な吸気充填量を確保すること
ができ、しかも、そのときの吸気抵抗を比較的小さくで
きる。
載の火花点火式直噴エンジンにおいて、燃焼室へ吸気を
過給する過給機を備えるものとする。こうすれば、吸気
ポート開口部の面積が相対的に小さくても、十分な吸気
充填量を容易に確保することができる。
トルーフ型燃焼室の天井部において吸気ポートの開口部
を排気ポート開口部よりも高い位置にずらして配置し、
その分、燃料噴射弁の噴口を気筒内周側に位置付けて点
火プラグに近付けるようにした。
ーフ型燃焼室の天井部に点火プラグを配設し、この天井
部の吸気側及び排気側の傾斜面にそれぞれ吸気及び排気
ポートを2つずつ開口させるとともに、吸気側の燃焼室
周縁部に燃料噴射弁を配設して、成層燃焼運転時には前
記燃焼室を流れるタンブル流に対向するように前記燃料
噴射弁により燃料を噴射させて点火プラグの電極周りに
成層化させるようにした火花点火式直噴エンジンを前提
とする。
方向に見て気筒の外周端よりも内周側に位置付け、該燃
料噴射弁による燃料の噴射方向を、気筒列方向に見て燃
料噴霧の中心線と点火プラグの軸線とが交わる位置が該
点火プラグの電極からピストン冠面側に離間するように
設定するとともに、前記吸気ポートの開口部を、気筒列
方向に見て排気ポートの開口部よりもピストン冠面から
遠くなるようにずらして配置する構成とする。
るというのは、一般的な形状のペントルーフ型燃焼室の
天井部を基準として、排気ポート開口部に対し吸気ポー
ト開口部の位置がずれているということであり、例えば
排気ポートの開口部の位置だけを天井壁の面からずらし
てもよいし、或いは該天井壁の吸気側傾斜面全体をずら
すようにしてもよい。
ピストンの冠面から遠くなるように、即ち上方にずらす
ということは、吸気ポート全体が相対的に上方にずれる
ということなので、そのことによって該吸気ポートの下
方に生じるスペースに燃料噴射弁を寄せて配置すること
が可能となり、該燃料噴射弁の噴口を相対的に燃焼室内
周側に近付けることができるのである。
ときであっても、燃料噴射弁の噴口を点火プラグの電極
に近付けて、請求項1の発明と同様に、気筒半径の大小
に拘わらず、両者の間隔を適切な範囲に収めることが可
能となり、もって、良好な着火安定性を確保することが
できる。
ける燃焼室天井部の吸気側傾斜面に、吸気ポート開口部
の全周を取り囲むように円環状凹部を形成し、該吸気ポ
ート開口部を吸気側傾斜面よりも深い位置に形成した。
の位置を変更せずに、吸気ポート開口部の位置だけをず
らすことができるし、吸気弁軸を短縮すれば動弁系の配
置を変更する必要もない。従って、例えば、本願発明に
係る直噴エンジンとシリンダブロック等を共通化したポ
ート噴射仕様のエンジンを生産する場合に、シリンダヘ
ッドについても生産設備を共用することが可能となり、
これにより、製造コストの大幅な低減が図られる。
ける2つの吸気ポート及び排気ポートをそれぞれ開口部
が同径とし、且つ該吸気ポート開口部の直径を排気ポー
ト開口部の直径よりも大きくした。
焼室の天井部の限られた面積に吸排気ポートの各開口部
面積をそれぞれ確保する場合、高圧の既燃ガス(排気)
を排出する排気ポートに比べて、外気を吸引する吸気ポ
ートの開口部をより大径とすることが好ましく、こうす
ることで、十分な吸気充填量を確保しながら、吸気損失
と排気損失とを合わせたポンプ損失の低減が図られる。
施形態を図面に基いて説明する。
ン1の全体的な構成を示す。このエンジン1は、複数の
気筒2,2,…(1つのみ図示する)が直列に設けられ
たシリンダブロック3と、このシリンダブロック3上に
配置されたシリンダヘッド4とを有し、それら各気筒2
内にピストン5が上下方向に往復動可能に嵌挿されてい
て、そのピストン5の冠面とシリンダヘッド4の下面と
の間の気筒2内に燃焼室6が区画形成されたものであ
る。また、前記気筒2,2,…を囲むシリンダブロック
3の側壁部には、図示しないがウオータジャケットが形
成されており、さらに、該シリンダブロック3の下側部
分には、気筒2,2,…に連通するようにクランク室7
が形成され、その内部にクランク軸8が回転自在に配設
されている。このクランク軸8の一端側にはその回転角
度を検出するための電磁式のクランク角センサ9が配設
されている。
詳細を示すように、天井壁60の2つの傾斜面60a,
60b(図1にのみ示す)が互いに差し掛けられた屋根
のような形状をなすペントルーフ型のものである。この
傾斜面60a、60bは、図3の如く気筒列方向に見た
ときに、天井部の略中央から左右両側に向かってそれぞ
れ徐々にピストン5冠面に近づくように延びていて、一
方(図の右側)の傾斜面60aに2つの吸気ポート1
0、10が開口され、他方(図の左側)の傾斜面60b
に2つの排気ポート11、11が開口されていて、その
各ポート開口部に吸気及び排気弁12,13が配置され
ている。すなわち、前記天井壁60とその吸気側及び排
気側にそれぞれ2つずつ配設された吸排気弁12,13
の傘部(図6では省略する)とによって、燃焼室6の天
井部が構成されている。
焼室6から斜め上方に向かって直線的に延びていて、エ
ンジン1の一側面(図の右側面)に独立して開口してお
り、一方、前記2つの排気ポート11,11は途中で1
つに合流して略水平に延び、エンジン1の他側面(図の
左側面)に開口している。また、吸気弁12及び排気弁
13は、シリンダヘッド4の内部に軸支された2本のカ
ム軸14,14により弁軸方向に押圧されて開作動され
るもので、該2本のカム軸14,14がそれぞれ前記ク
ランク軸8に同期して回転されることで、全気筒2,
2,…の吸気弁12及び排気弁13がそれぞれ所定のタ
イミングで開閉作動される。また、吸気側のカム軸14
にはクランク軸8に対する回転位相を所定の角度範囲に
おいて連続的に変化させる周知構造の可変動弁機構15
が付設されていて、この可変動弁機構15により前記吸
気弁12の開弁時期及び閉弁時期が同期して変更され
る。
12,13に取り囲まれるようにして点火プラグ16が
配設されている。この点火プラグ16の先端の電極は燃
焼室6の天井壁60から所定距離だけ突出しており、該
点火プラグ16の基端部には点火回路17が接続されて
いて、各気筒2毎に所定の点火タイミングで点火プラグ
16に通電するようになっている。一方、前記燃焼室6
の底部となるピストン5の冠面には、気筒中心線zに沿
って見たときにレモン形状となる凹部50(図5参照)
が設けられている。
は、2つの吸気ポート10,10の下方においてそれら
に挟まれるようにインジェクタ(燃料噴射弁)18が配
設されている。このインジェクタ18は、先端部の噴口
から燃料を旋回流として噴出させて、インジェクタ18
の軸心の延びる方向に沿う略円錐状となるように噴射す
る公知のスワールインジェクタである(図7参照)。こ
の略円錐状の燃料噴霧は、雰囲気圧力の低いときほど拡
がり角θが大きくなって中空状となる一方、雰囲気圧力
が高くなると拡がり角θが小さくなって、中心部の燃料
の密度が高くなる。また、燃圧が高いほど、燃料噴霧の
貫徹力は大きくなる。
は、全気筒2,2,…に共通の燃料分配管19が接続さ
れていて、燃料供給系20から供給される高圧の燃料を
各気筒2に分配するようになっている。この燃料供給系
20についての詳しい説明は省略するが、例えば、燃料
タンクから汲み上げた燃料を高圧燃料ポンプにより昇圧
した後に高圧レギュレータにより流量調節し、余剰の燃
料は燃料タンクに戻すことで、燃料分配管19へ供給す
る燃料の圧力状態を適正な範囲(例えば略3MPa〜略
20MPaくらい)に調節する。尚、前記燃料分配管1
9にはその内部の燃料の圧力状態(燃圧)を検出する燃
圧センサ21が付設されている。
ポート10,10にそれぞれ連通する吸気通路23が接
続されている。この吸気通路23は、エンジン1の燃焼
室6に対し図外のエアクリーナで濾過した吸気を供給す
るものであり、その上流側から下流側に向かって順に、
エンジン1に吸入される空気の流量を検出するホットワ
イヤ式エアフローセンサ24と、後述のタービン37に
より駆動されて吸気を圧縮するコンプレッサ25と、こ
のコンプレッサ25により圧縮した吸気を冷却するイン
タークーラ26と、バタフライバルブからなり、吸気通
路23を絞る電気式スロットル弁27と、サージタンク
28とが配設されている。前記電気式スロットル弁27
は、図外のアクセルペダルに対し機械的には連結されて
おらず、図示しない電動モータにより駆動されて、アク
セプペダルの操作量(アクセル開度)に対応する適切な
開度となるように開閉される。
の吸気通路23は、各気筒2毎に分岐する独立通路とさ
れていて、これらの各独立通路の下流端部がさらに2つ
に分岐してそれぞれ吸気ポート10,10に連通してい
る。この2つの吸気ポート10,10の双方の上流側に
は、燃焼室6におけるタンブル流Tの強さを調節するた
めの開閉弁30,30(Tumble Control Valve:以下、
TCVと略称する)が配設され、例えばステッピングモ
ータ(図示せず)等のアクチュエータによって開閉作動
されるようになっている。このTCV30は、いずれも
バタフライバルブの一部を切り欠いたもので、この実施
形態では弁軸よりも下側の部分を切り欠いている。そし
て、TCV30,30が閉じられたときには吸気が前記
の切り欠き部分のみから下流側に流れて、燃焼室6に強
いタンブル流Tを生成する一方、TCV30,30が開
かれるに従い、吸気は該切り欠き部分以外からも流通す
るようになり、タンブル流Tの強度は徐々に弱められ
る。
状は上述したものに限られず、例えば、バタフライバル
ブの弁軸よりも上側の部分を切り欠いたものでもよい。
また、吸気ポートは、上流側で1つに合流されたいわゆ
るコモンポートであってもよく、この場合には、TCV
として、コモンポートの断面形状に対応する形状のバタ
フライバルブの一部分を切り欠いたものとすればよい。
から既燃ガス(排気)を排出する排気通路33が接続さ
れている。この排気通路33の上流端は、各気筒2毎に
分岐して排気ポート11に連通する排気マニホルド34
により構成され、該排気マニホルド34の集合部には排
気中の酸素濃度を検出するリニアO2センサ35が配設
されている。このリニアO2センサ35は排気中の酸素
濃度に基づいて空燃比を検出するために用いられるもの
で、理論空燃比を含む所定の空燃比範囲において酸素濃
度に対しリニアな出力が得られるものである。
は、排気流を受けて回転されるタービン37と、排気管
36とが接続されていて、この排気管36の上流側から
下流側に向かって順に、略理論空燃比近傍の排気中のH
C、CO、NOxを浄化する三元触媒38と、理論空燃
比よりもリーンな排気中のNOxを浄化可能なリーンN
Ox触媒39(NOx吸蔵還元触媒、NOx吸着還元触
媒を含む)とが配設されている。前記タービン37は、
吸気通路23のコンプレッサ25と共にターボ過給機4
0を構成するものであり、排気流によりタービン37が
回転されると、このタービン37と一体に回転するコン
プレッサ25が吸気を圧縮して過給する。また、このタ
ーボ過給機40には、前記タービン37をバイパスして
排気管36の上流側から下流側へ排気を流通させるウエ
ストゲート通路41と、このウエストゲート通路41を
流通する排気の流量を調整するウエストゲート弁42と
が設けられている。尚、前記ターボ過給機40に代え
て、エンジン1のクランク軸8により駆動される機械式
過給機や電動モータにより駆動する過給機等を用いるこ
ともできる。
の劣化状態を判定するためにその下流側に配設されたラ
ムダO2センサである。また、図示は省略するが、前記
排気通路33におけるタービン37よりも上流側の部位
には、排気の一部を吸気側に還流させるEGR通路の上
流端が分岐接続されている。このEGR通路の下流端は
前記サージタンク28に接続され、その近傍には開度調
節可能な電気式のEGR弁が配設されていて、EGR通
路による排気の還流量を調節できるようになっている。
ンジェクタ18、燃料供給系20、電気式スロットル弁
27、TCV30等は、いずれもエンジンコントロール
ユニット45(以下、ECUという)によって作動制御
される。一方、このECU45には、少なくとも、前記
クランク角センサ9、燃圧センサ21、エアフローセン
サ24、リニアO2センサ35、ラムダO2センサ43等
からの各出力信号が入力されるとともに、シリンダブロ
ック3のウオータジャケットに臨んで冷却水の温度(エ
ンジン水温)を検出する水温センサ47からの出力信号
が入力され、さらに、アクセル開度を検出するアクセル
開度センサ48からの出力信号と、エンジン回転速度
(クランク軸8の回転速度)を検出する回転速度センサ
49からの出力信号とが入力される。
入力される信号に基づいて、吸排気弁12,13の開閉
作動時期、点火プラグ16による点火時期、インジェク
タ18による燃料噴射量、噴射時期及び噴射圧力、スロ
ットル弁27の開度、TCV30の開度等をそれぞれエ
ンジン1の運転状態に応じて制御する。例えば、エンジ
ン1が温間で且つ低速低負荷側の運転状態にあるときに
は、インジェクタ18により気筒2の圧縮行程で燃料を
噴射させて、点火プラグ16の近傍に混合気が層状に偏
在する状態で燃焼させる(成層燃焼状態)。このときに
は、エンジン1の吸気損失を低減するためにスロットル
弁27の開度を相対的に大きくするようにしており、こ
のときの燃焼室6の平均的な空燃比は理論空燃比よりも
リーンになる。
はインジェクタ18により主に気筒2の吸気行程で燃料
を噴射させて吸気と十分に混合し、燃焼室6全体に均一
な混合気を形成した上で燃焼させる(均一燃焼状態)。
このときには、大部分の運転領域において混合気の空燃
比が略理論空燃比(A/F≒14.7)になるように、
燃料の噴射量やスロットル弁27の開度等を制御する
が、特に全負荷付近では空燃比を理論空燃比よりもリッ
チな状態(例えばA/F=13くらい)に制御して、高
負荷に対応した大出力を得られるようにしている。
弁を開弁させてEGR通路により排気の一部を吸気通路
23に還流させるようにしており、これによりNOxの
生成を抑制することができる。一方、冷間時には燃焼安
定性の確保を最優先し、エンジン1の全ての運転状態で
均一燃焼状態とするとともに、EGR弁は全閉とするよ
うにしている。
の直噴エンジン1の特徴は、上述の如き成層燃焼状態の
ときに、燃焼室6の空気流動を利用して点火プラグ16
の電極の付近にリッチな混合気塊を滞留させるようにし
たことにある。すなわち、成層燃焼状態では気筒2の圧
縮行程中期以降に燃焼室6を流れるタンブル流Tに対し
て略正対する方向から衝突するように、インジェクタ1
8により適当な貫徹力でもって燃料を噴射させ、この燃
料噴霧をタンブル流Tにより減速させて、点火プラグ1
6の電極付近に到達させるようにする。その際、タンブ
ル流Tの強度及び燃料噴霧の貫徹力をいずれも相対的に
弱いものとすれば、燃料噴霧はタンブル流Tとの衝突に
よってあまり飛散することなく、適切な濃度の混合気塊
となって点火プラグ16電極の付近に滞留するのであ
る。
ために、この実施形態の直噴エンジン1では、ピストン
5冠面の凹部50の形状や点火プラグ16及びインジェ
クタ18のレイアウトを以下のように互いに関連付けて
適切に設定している。
図4及び図5に示すように気筒中心線Zに沿って見たと
きに、インジェクタ18による燃料の噴射方向(燃料噴
霧の中心線Fが延びる方向)に長いレモン形状の凹部5
0が形成されている。これは、気筒中心線Zに沿って見
て、吸気ポート10,10から燃焼室6へ吸気の流入す
る方向と凹部50の長さ方向とが大体、同じになるとい
うことであり、このことで、気筒2の吸気行程から圧縮
行程にかけてタンブル流Tが前記凹部50の壁面に沿っ
てインジェクタ18に向かうように流れ、このタンブル
流Tが気筒2の圧縮行程後期まで安定して保持されるよ
うになる。
(a)に示すように、点火プラグ16の電極を囲む長さ方
向の略中央部で最大となり、そこから凹部50の長さ方
向両端側に向かって徐々に狭くなっている。この凹部5
0の開口幅は、前記図5に示すように、気筒2の圧縮行
程においてインジェクタ18により噴射された燃料噴霧
が点火プラグ16の付近にまで到達したとして、その燃
料噴霧を包含するような大きさとされており、このこと
で、該燃料噴霧が凹部50の幅方向の両側壁面50a,
50aに接触することがなく、該側壁面50aへの燃料
の付着量が極めて少なくなる。
凹部50の底壁面50bは略平坦になっていて、その長
さ方向の両端側に緩やかに湾曲して上方に向かう湾曲部
が連続しており、特に吸気側の湾曲部に連続して燃料噴
霧との干渉を避けるための切り欠き部52が形成されて
いる。また、前記凹部50の底壁面50bの幅方向両端
側には側壁面50a,50aが連続していて、この側壁
の高さは凹部50の長さ方向の略中央部において最も高
くなっている。
周側部分は、上下に対向する燃焼室6の天井壁60に略
平行に沿うような形状とされていて、該天井壁60の吸
気側傾斜面60aから排気側傾斜面60bに亘る範囲と
対峙するように、凹部50の幅方向両側においてそれぞ
れ吸気側から排気側まで連続するスキッシュエリア51
が形成されている。そして、気筒2の圧縮行程において
ピストン5が上死点に向かって上昇すると、ピストン5
冠面のスキッシュエリア51と燃焼室6の天井壁60と
の間に挟まれる空間から凹部50の内方に向かうように
空気が押し出されて、図5に矢印S,S,…で示すよう
に、凹部50の内方に向かってその幅方向両側から流れ
込む強いスキッシュ流が生成される。
吸気弁12,12の傘部との干渉を避けるようにバルブ
リセス53,53が形成されており、ここではあまり強
い流れは生成されない。従って、スキッシュ流Sは、凹
部50の幅方向内方に向かう成分と該凹部50の排気側
からの成分とがそれぞれ強くなり、一方、吸気側からの
成分は相対的に弱くなる。このことで、スキッシュ流S
により混合気の拡散を十分に抑制しながら、燃焼室6の
天井部付近に残るタンブル流Tの影響を低減させて、混
合気の滞留性を向上できる。
ついて説明する。図3に示すように気筒列方向に見て、
インジェクタ18は、その軸心が気筒2の横断面に対し
て所定の傾斜角度δ(好ましくはδ=25°〜40度、
図例では略30°)をなすように設置されている。この
実施形態では、インジェクタ18はその軸線に沿って燃
料を噴射するものなので、燃料噴霧の中心線Fとインジ
ェクタ18の軸線とは略一致していて、該燃料噴霧中心
線Fは、成層燃焼時の気筒2の燃料噴射時期において点
火プラグ16の電極とピストン5冠面の凹部50の底面
50bとの間を通り、図6に示すように気筒列方向に見
たときに、点火プラグ16の軸線z1と交わる位置Kが
該点火プラグ16の電極からピストン5冠面側(下方)
に離間している。そのようにインジェクタ18の設置角
δを設定したことで、ピストン5冠面に形成された凹部
50との相互の位置関係により、気筒2の圧縮行程中期
以降に該凹部50に沿って流れるタンブル流Tに対して
燃料噴霧を略正面から効果的に衝突させることができる
(図10参照)。
見て、インジェクタ18の噴口は、燃焼室6の天井壁6
0の吸気側傾斜面60aの外周側の端部よりも外周側に
位置し、図例では、気筒2の外周端よりも外側に位置し
ている。すなわち、エンジン1のシリンダヘッド4に
は、各気筒2毎に吸気側の側壁外面に開口してインジェ
クタ18の先端側を収容するインジェクタ収容部4aが
形成され、該インジェクタ収容部4aの奥には燃焼室天
井壁60の外周縁部に開口する孔部62が連通してい
て、そこにインジェクタ18先端部の噴口が配置されて
いる。このことで、インジェクタ18の噴口は気筒2内
の燃焼室6から一段、引っ込んで、その分、燃焼による
熱の影響を受け難い状態になっており、これにより、噴
口付近へのカーボンデポジットの堆積が未然に防止され
る。尚、インジェクタ18の噴口は吸気側傾斜面60a
の外周端よりも外周側にあればよく、必ずしも気筒2の
外周端よりも外側に位置付ける必要はない。
噴霧の拡がり角θは、雰囲気圧力、即ち燃焼室6の圧力
状態によって変化するものであるが、この実施形態のも
のでは、図6に示すように気筒2の圧縮行程中期以降に
おける燃料噴霧の拡がり角θが、θ=略45°とされて
いて、略円錐状の燃料噴霧の輪郭(液滴のエリア)が点
火プラグ16の電極に略接するようになっている。この
ことで、燃料の噴射方向(燃料噴霧の中心線F)をでき
るだけ点火プラグ16の電極に接近させて、混合気への
着火性を高めながら、その電極に対してインジェクタ1
8からの初期噴霧に含まれる粗大な燃料液滴が付着する
ことは回避することができ、該点火プラグ16のくすぶ
りを未然に防止できる。
の拡がり角θが大きいときには、自ずと燃料噴霧が拡散
し易くなり、点火プラグ16電極の周りの混合気が全体
として希薄化する。反対に、燃料噴霧の拡がり角θが小
さ過ぎるときには、燃料噴霧の中心線付近で燃料の過集
中が起こり、燃料液滴の空気との混合や気化霧化が不十
分になって混合気の燃焼性が悪化する虞がある。このた
め、燃料噴霧の拡がり角θは、θ=20〜60°の範囲
とするのがよく、特にθ=40〜55°くらいが好まし
い。
としては、図7に模式的に示すように、インジェクタ1
8の先端部A点から20mm下流の位置において噴霧中
心線Fの通る仮想平面と燃料噴霧の輪郭とが交差する2
点B,Cを決定し、∠BACをもって燃料噴霧の拡がり
角θを定義する(θ=∠BAC)。また、燃料噴霧の輪
郭については例えばレーザシート法により求めるように
すればよい。
料噴霧の撮影が可能な圧力容器内にインジェクタを設置
し、この容器内を気筒の圧縮行程中期以降の燃料噴射時
期に相当する圧力状態(例えば0.25MPa)に加圧
するとともに、燃料性状相当の試料を燃料噴射圧に相当
する所定圧(例えば10MPa)に加圧して、常温下に
おいて、1パルス当たりの噴射量が9mm3/strokeになる
ようにインジェクタに所定パルス幅の駆動パルス信号を
入力して、燃料を噴射させる。その際、燃料噴霧に対し
その噴霧中心線を通るように厚さ1mm程度のレーザシ
ート光を照射しておいて、このレーザシート光面に対し
て直交する方向から高速度カメラにて噴霧画像を撮影す
る。そして、前記駆動パルス信号の入力時期から1.5
6ミリ秒後の撮影画面に基づいて噴霧の拡がり角θを計
測すればよい。
て説明する。まず、上述の如く、点火プラグ16は燃焼
室6に滞留する混合気に対して確実に点火できるよう、
その電極を気筒中心線zに沿って燃焼室6の天井部から
突出するように配置されている。具体的には、点火プラ
グ16の電極は、インジェクタ18により燃料を斜め下
方のピストン5冠面側に噴射させるこの実施形態におい
ては、該インジェクタ18の噴口と概ね同じ高さ位置
(気筒中心線z方向の位置)にあり、気筒2の圧縮行程
中期以降のタンブル流Tの主流からは離れて、その渦の
中心付近に位置している。つまり、点火プラグ16電極
の付近は燃料の噴射から点火までの間、混合気の滞留し
易い状態に保たれている。
火プラグ電極と燃料噴霧(混合気)との位置関係につい
てさらに詳しく考察する。まず、図8に一例を示すよう
に、気筒の圧縮行程のような高圧下でスワールインジェ
クタにより燃料を噴射したとき、中実の噴霧内の燃料
(液滴及び蒸気)の密度分布は、その燃料噴霧の中心線
付近で高くなり、そこから外周側に向かって徐々に低下
していく。具体的には、図に破線で示すAタイプのイン
ジェクタの場合、燃料噴霧の中心線近傍の燃料密度が極
めて高く、そこから燃料密度が一旦、急激に低下した後
に比較的緩やかに低下している。また、図に実線で示す
Bタイプのインジェクタの場合は、Aタイプのものに比
べて燃料密度の偏りが小さく、燃料噴霧の中心線近傍か
ら噴霧の外周側に向かって略一定の割合で燃料密度が低
下している。従って、前記のいずれのタイプのインジェ
クタを用いるにしても、混合気に安定して点火するため
には、点火プラグの電極を燃料噴霧の中心線に対しある
程度以上、近付ける必要がある。
1を見ると、図6に模式的に示すように、スワールイン
ジェクタ18からの燃料噴霧はその中心線Fに沿って進
行方向に徐々に拡大する略円錐形状となるから、前記し
たように燃料噴霧の輪郭を点火プラグ16の電極に略接
するように位置付けた場合、燃料噴霧中心線Fと点火プ
ラグ16電極との距離d1は該電極とインジェクタ18
の噴口との間の気筒半径方向の距離d2に略比例して大
きくなることが分かる。換言すれば、エンジン1の気筒
半径が大きいほど、点火プラグ16の電極が燃料噴霧の
中心線Fから遠ざかってその付近の燃料密度が低くな
り、着火安定性が低下してしまう。
1では、本発明の特徴部分として、点火プラグ16の電
極を気筒中心線Zよりも吸気側寄りに配置することで、
その電極とインジェクタ18の噴口とを近付けるように
している。すなわち、一般的に、ペントルーフ型の燃焼
室を有する4弁式エンジンでは、吸気効率を高めるため
に吸気弁の直径を排気弁よりも大きくしており、このと
きに、燃焼室天井壁の限られたスペースに吸排気ポート
の各開口面積をできるだけ大きく確保しようとすれば、
4つの弁の傘部に囲まれる点火プラグの電極は自ずと気
筒中心線よりも排気側寄りに位置することになる。
気ポート10,10の開口部を排気ポート11,11の
開口部よりも小径とし、且つ2つの吸気ポート10,1
0同士の間隔を拡げて、点火プラグ16の電極を気筒中
心線Zよりも吸気側寄りに配置できるようにした。具体
的には図1に示すように、吸気弁12及び排気弁13を
省略して燃焼室6の天井壁60を気筒中心線Zに沿って
下方から見ると、天井壁60の吸気側傾斜面60aに開
口する2つの吸気ポート10,10は互いに同径であ
り、また、同様に排気側傾斜面60bに開口する2つの
排気ポート11,11も互いに同径であって、その各排
気ポート11の開口部が各吸気ポート10の開口部より
も大径とされている。
の開口部同士の間隔D1は、2つの排気ポート11,1
1の開口部同士の間隔D2よりも大きく、このことで天
井壁60の略中央部から吸気側寄りの部位に残るスペー
スに、4つのポート開口部に囲まれ且つ気筒中心線Zに
対し吸気側に偏心して、プラグホール61が開口されて
いる。尚、前記吸気側傾斜面60aの外周側の周縁部に
は、インジェクタ収容部4aに連通する孔部62が開口
していて、そこからインジェクタ18先端部の噴口が燃
焼室6に臨んでいる。また、図例では、該孔部62に連
続してインジェクタ18からの燃料噴霧との干渉を避け
るように、断面三角形状のリセス63が形成されている
(このリセス63は無くてもよい)。
を前記のようにレイアウトしたのは、シリンダヘッド4
の信頼性を担保するためである。すなわち、従来周知の
通り、燃焼室6に臨む天井壁60はエンジン1のシリン
ダヘッド4の中で最も熱負荷の高い部位であり、特に吸
排気ポート10,11の開口部とプラグホール61との
間のブリッジ部の熱負荷が高くなるから、この部分の肉
厚の確保はシリンダヘッド4の信頼性上、極めて重要で
ある。従って、この実施形態のものでは、点火プラグ1
6の電極を気筒2の中心線Zよりも吸気側寄りに配置す
るために、前記の如く一般的なペントルーフ型燃焼室と
は異なる吸排気ポート10,11のレイアウトによっ
て、燃焼室天井壁60の略中央部から吸気側寄りの部位
に亘ってプラグホール61のスペースを確保しているの
である。
の電極を気筒中心線Zよりも吸気側寄りに配置したこと
で、この電極の位置は気筒2の吸気側周縁部に位置する
インジェクタ18の噴口に近付くことになり、気筒2の
半径が相対的に大きいときであっても点火プラグ16の
電極とインジェクタ18の噴口との間の距離を相対的に
短くして、適切な範囲に収めることが可能となる。これ
により、この実施形態の直噴エンジン1では、気筒半径
の大小に拘わらず点火プラグ16の電極を燃焼室6の混
合気の中心に近付けて、良好な着火安定性を得ることが
できる。
気筒2の燃焼室6へ吸気を過給するターボ過給機40が
設けられているので、前記したように吸気ポート10,
10の開口部面積が相対的に小さなものであっても、十
分な吸気充填量を容易に確保することができ、これによ
り、高速側ないし高負荷側で均一燃焼状態となるときに
も十分な出力が得られる。
火花点火式直噴エンジン1の運転動作について説明す
る。
成層燃焼状態となるときには、図9に示すように、気筒
2の吸気行程においてピストン5が上死点位置から下降
するときに、開状態の吸気弁12の傘部と吸気ポート1
0の開口部との間隙から吸気が燃焼室6へ流入し、同図
に矢印で示すように燃焼室6全体に亘る大きなタンブル
流Tが生成される。詳しくは、ピストン5の下降によっ
て燃焼室6へ吸い込まれる吸気は、主に吸気ポート10
の開口部の点火プラグ16寄りの部位から燃焼室6へ流
入し、ピストン5のさらなる下降に伴い排気側(図の左
側)の気筒内周面に沿って下方に向かった後に、ピスト
ン5の冠面に沿って吸気側(図の右側)へ曲げられて、
そこからさらに上方に向かって流れ、全体として燃焼室
6の縦方向に旋回するタンブル流Tとなる。
て、ピストン5が下死点位置から上昇すると、このピス
トン5の上昇に伴う燃焼室6容積の減少によってタンブ
ル流Tが潰されてコンパクトなものとなり、その流速も
徐々に低下する。しかし、気筒2の圧縮行程中期以降に
おいてもペントルーフ型の燃焼室6天井部とピストン5
冠面の凹部50との間に適切な形状の空間が残っている
ため、タンブル流Tは崩壊することなく、当該気筒2の
圧縮行程後期まで保持される。このとき、ピストン5冠
面の凹部50に沿って排気側から吸気側(図の左側から
右側)に向かう流れがインジェクタ18の噴口の付近で
折り返し、燃焼室6の天井部に沿って吸気側から排気側
へ流れるようになるが、特に前記凹部50に沿って吸気
側に向かう流れは、該凹部50の底壁面50bの吸気側
の湾曲部により天井部に向かうように案内されて、イン
ジェクタ18の噴口に向かって流れることになる。
圧縮行程中期以降にインジェクタ18により燃料が噴射
されると、この燃料噴霧の中心がタンブル流Tの流れの
強いところに略正対して衝突することになり、これによ
り、燃料液滴の気化霧化や周囲の空気との混合が促進さ
れるとともに、該燃料噴霧はタンブル流Tを押し退ける
ように進みながら徐々に減速されて、図11に示す当該
気筒2の点火時期までに燃焼室6の略中央部、即ち点火
プラグ16の電極付近に到達して、そこに滞留するよう
になる。
ュエリア51から燃焼室6中心に向かうスキッシュ流S
が発生し、このスキッシュ流Sが混合気の拡散を抑制し
て、着火性に優れた混合気塊を形成させる。また、特に
排気側から混合気に向かうスキッシュ流Sが燃焼室6天
井部に残るタンブル流Tの影響を軽減して、混合気の滞
留精度を向上させる。そして、この状態で点火プラグ1
6に通電されることよって前記混合気塊に確実に着火さ
れて、良好な成層燃焼が行われる。
高負荷側にあって均一燃焼状態になるときには、図12
に示すように、気筒2の吸気行程において燃焼室6に吸
気が導入される際にインジェクタ18により燃料が噴射
される。この燃料噴霧は相対的に低圧の気筒2内で大き
く拡がり、ピストン5の下降移動に伴う燃焼室6容積の
拡大によって広く分散して、燃焼室6全体に略均一な可
燃混合気を生成する。この際、燃焼室6のタンブル流T
によって燃料噴霧と空気との混合が促進され、かつ燃料
の気化霧化が十分に促進される。そして、その後の点火
時期において点火プラグ16の電極に通電されると、そ
の近傍にて生成した火炎核が急速に成長して、良好な均
一燃焼状態となる。
式直噴エンジン1によると、各気筒2内の燃焼室6天井
部の吸気側の周縁部にインジェクタ18の噴口を臨ませ
て、ピストン5冠面側に向かって所定の傾斜角度で燃料
を噴射させることにより、この燃料噴霧を燃焼室6のタ
ンブル流Tに略正面から衝突させて、点火プラグ16の
電極付近に混合気として滞留させることができ、そし
て、その混合気に対して点火プラグ16により点火して
成層燃焼状態とすることによって、燃費及び出力の改善
が図られる。
において、吸気ポート10,10の開口部を排気ポート
11,11の開口部よりも小径とし、且つ吸気ポート1
0,10の開口部同士の間隔D1を排気ポート11,1
1の開口部同士の間隔D2よりも大きくしたことで、エ
ンジン1の信頼性を損なうことなく、燃焼室6の天井壁
60の中心よりも吸気側にプラグホール61の開口スペ
ースを確保して、点火プラグ16の電極を気筒中心線Z
よりも吸気側寄りに位置付けている。このことで、エン
ジン1の気筒2の半径が相対的に大きいときであって
も、インジェクタ18の噴口と点火プラグ16の電極と
の距離を相対的に短い適切な範囲に収めることができ、
これにより、点火プラグ16の電極位置と燃焼室6の混
合気の中心位置とを相対的に近付けて、該点火プラグ1
6による混合気への良好な着火安定性を確保することが
できる。
2への吸気を過給することで、前記の如く吸気ポート1
0,10の開口部面積が相対的に小さなものであって
も、均一燃焼状態のときに必要な吸気充填量を容易に確
保して、高出力を得ることができる。
は、吸気ポート10,10の開口部面積が相対的に小さ
くてもターボ過給によって十分な吸気充填量が得られる
ことを利用して、前記の如き吸排気ポート10,11及
び点火プラグ16の特徴的なレイアウトにより成層燃焼
運転時の良好な混合気形成を図りつつ、一方で均一燃焼
運転時の出力要求を十分に満足することができる。
式直噴エンジン1において、ターボ過給機40等の過給
機を備えないものとしてもよい。この場合には、吸気ポ
ート10,10の開口径が相対的に小さいことに対応し
て、吸気側の弁揚程特性を、少なくとも高速側ないし高
負荷側の均一燃焼状態において作動角(吸気弁12の開
弁から閉弁までの間のクランク角)又はリフト量の少な
くとも一方が排気側よりも大きくなるように設定するこ
とが好ましい。すなわち、例えば、吸気側のカム軸14
においてカムプロファイルを排気側よりも高リフトのも
のや作動角の大きいものとすればよく、或いは、吸気側
のカム軸14にカムプロファイルを変更可能な周知構造
の可変機構を付設して、エンジン1が高速側ないし高負
荷側にあるときにのみ吸気弁12,12の作動角やリフ
ト量を排気側よりも大きくするようにしてもよい。
おいて吸気ポート10,10の開口面積が相対的に小さ
くても、高出力の要求される高速側ないし高負荷側の運
転状態において過給なしで十分な吸気充填量を確保する
ことが可能となり、しかも、そのときの吸気抵抗を比較
的小さくすることができる。このような構成は、実施形
態1のように過給機を備えたエンジン1にも適用するこ
とができる。
発明の実施形態2に係る火花点火式直噴エンジン1の燃
焼室6の構造を示す。この実施形態2のエンジン1は前
記実施形態1のものとは異なり、ターボ過給機40を備
えていない自然吸気式のものである。また、図13に示
すように気筒中心線Zに沿って見ると、吸気ポート1
0,10の各開口部の直径が排気ポート11,11に比
べて大きく、点火プラグ16の電極が気筒中心線Zに対
して排気側寄りに位置していて、この点で前記実施形態
1のものとは異なる一般的な構成のペントルーフ型燃焼
室6になっている。尚、この実施形態2のエンジン1の
全体構成は前記実施形態1のものと同様なので、同一部
材には同一の符号を付してその説明は省略する。
徴は、図14に示すように気筒列方向に見たときに、吸
気ポート10,10の各開口部が排気ポート11,11
の各開口部よりも高くなるように、即ちピストン5の冠
面から遠くなるように、ずらして配置されていること
と、そのことによって吸気ポート10,10の下方(シ
リンダブロックとの合わせ面に近い方)におけるインジ
ェクタ18の配置スペースが大きくなることを利用し
て、インジェクタ18が吸気ポート10,10に寄せ
て、即ち気筒2の内周側寄りに配置されていることとに
ある。
室6の天井壁60の吸気側傾斜面60aには、各吸気ポ
ート10の開口部全周を取り囲むように円環状凹部10
aが形成されていて、この凹部10aの分だけ、各吸気
ポート10開口部が吸気側傾斜面60aよりも深い位置
に形成されている。このことで、燃焼室6の天井部にお
いて吸気側傾斜面60aの位置は変更せずに、吸気ポー
ト10の開口部の位置だけをずらすことができる。ま
た、吸気弁12の弁軸の長さを短縮すれば、動弁系のレ
イアウト等を変更する必要もない。従って、例えば、こ
の実施形態2の直噴エンジン1とは別に、シリンダブロ
ック3等を共通化したポート噴射仕様のエンジンを生産
する場合に、両者の吸排気弁12,13の挟み角が同じ
になり、シリンダヘッド4についても生産設備を共用す
ることができる。
に、実施形態2のエンジン1では、インジェクタ18の
先端部の噴口が気筒2の外周端よりも内側に位置してい
る。すなわち、インジェクタ18の噴口は、前記実施形
態1のものと同様に燃焼室6の天井壁60における吸気
側傾斜面60aの外周端部よりも外周側に位置するもの
の、相対的に気筒2の内周側に、即ち点火プラグ16の
電極の近くに位置している。このことで、点火プラグ1
6を気筒中心線Zよりも排気側寄りに配置していても、
インジェクタ18の噴口を気筒2の内周側に位置付けて
両者の間隔を狭めることができる。
は、2つの吸気ポート10,10及び排気ポート11,
11をそれぞれ開口部が同径であって且つ該吸気ポート
10開口部の直径が排気ポート11開口部の直径よりも
大きいものとしており、このことで、燃焼室天井壁60
の限られた面積に吸排気ポート10,11の各開口部面
積をそれぞれ最大限に確保して、高負荷域でも十分な吸
気充填量を確保できるとともに、吸気損失と排気損失と
を合わせたポンプ損失の低減が図られている。
火式直噴エンジン1によれば、自然吸気式エンジン1に
おいて、各気筒2の燃焼室6をペントルーフ型燃焼室の
一般的な構造の通り、吸気ポート10,10の開口径を
排気ポート11,11よりも大きくして、点火プラグ1
6は気筒中心線Zよりも排気側寄りに配置しながら、該
吸気ポート10,10の各開口部の位置を排気ポート1
1,11に比べて高くなるようにずらして配置し、その
分、インジェクタ18の噴口を気筒2の内周側に位置付
けることにより、前記実施形態1のエンジン1と同様
に、気筒2の半径が相対的に大きいときでもインジェク
タ18の噴口と点火プラグ16電極との間の距離を相対
的に短い適切な範囲に収めることができ、これにより、
点火プラグ16電極付近の混合気濃度を十分に高くし
て、良好な着火安定性を確保することができる。
形態のものには限定されず、その他の種々の構成を包含
するものである。すなわち、前記実施形態1、2では、
いずれも、燃焼室6の天井壁60に開口する2つの吸気
ポート10,10及び2つの排気ポート11,11を、
それぞれ開口部の直径の等しいものとしているが、これ
に限るものではなく、例えば、2つの吸気ポート10,
10のうちの一方の開口部を他方の開口部に比べて大径
としてもよい。
60の吸気側傾斜面60aにおいて各吸気ポート10の
開口部を取り囲む円環状凹部10aを形成し、該各吸気
ポート10の開口部だけを吸気側傾斜面60aから上方
にずらすようにしているが、これに限らず、例えば、吸
気側傾斜面60a全体を上方にずらすようにしてもよ
い。
に係る火花点火式直噴エンジンによると、ペントルーフ
型燃焼室の天井部の吸気側周縁部に燃料噴射弁の噴口を
臨ませ、成層燃焼運転時には前記燃焼室を流れるタンブ
ル流に対向するように燃料を噴射させて、点火プラグ電
極の付近に混合気を滞留させるようにしたものにおい
て、前記燃焼室の天井壁に開口する2つの吸気ポート開
口部同士の間隔を2つの排気ポート開口部同士の間隔よ
りも大きくし、点火プラグを気筒中心線よりも吸気側寄
りに配置して、その電極と燃料噴射弁の噴口とを近付け
ることで、両者の間隔を気筒半径の大小に拘わらず適切
な範囲に収めることができ、エンジンの気筒半径が相対
的に大きいときであっても、点火プラグの電極付近の混
合気濃度を十分に高めて、良好な着火安定性を確保する
ことができる。
口をペントルーフの傾斜面よりも外側に位置付けて所定
温度以下に維持することで、カーボンデポジットの堆積
を未然に防止できる。
排気ポートの各開口部をそれぞれ同径のものとし、且つ
吸気ポート開口部の直径を排気ポート開口部の直径以下
とすることで、該各開口部の面積をそれぞれ確保しなが
ら、吸気ポート開口部同士の間隔を容易に大きくでき
る。
ないしリフト量を高速側ないし高負荷側で排気側よりも
大きくすることで、吸気ポート開口部の面積が相対的に
小さくても、吸気抵抗を比較的小さくしつつ、十分な吸
気充填量を確保できる。
ことで、吸気ポート開口部の面積が相対的に小さくても
十分な吸気充填量を容易に確保できる。
噴エンジンによると、ペントルーフ型燃焼室の天井部の
吸気側周縁部に燃料噴射弁の噴口を臨ませ、成層燃焼運
転時には前記燃焼室を流れるタンブル流に対向するよう
に燃料を噴射させて、点火プラグ電極の付近に混合気を
滞留させるようにしたものにおいて、ペントルーフ型燃
焼室の天井部において吸気ポートの開口部を排気ポート
の開口部よりも高い位置にずらして配置し、その分、燃
料噴射弁の噴口を点火プラグの電極に近付けたことで、
請求項1の発明と同様に、エンジンの気筒半径が相対的
に大きいときであっても、点火プラグの電極付近の混合
気濃度を十分に高めて、良好な着火安定性を確保するこ
とができる。
口部を吸気側傾斜面からずらして形成することで、前記
請求項6の発明の効果を十分に得られるとともに、製造
コストの大幅な低減が図られる。
ジンにおいて吸気充填量を確保しながら、ポンプ損失の
低減が図られる。
ジンの各気筒毎の燃焼室天井部の構成を示す図である。
向に見たピストンの縦断面図及び(c)X方向に見たピス
トンの縦断面図である。
とインジェクタからの燃料噴霧との相互の位置関係を示
す説明図である。
ェクタ噴口の間の距離と該点火プラグ電極及び燃料噴霧
中心線の間の距離との関係を示す説明図である。
を示す説明図である。
の距離との関係を調べた実験結果の一例を示すグラフ図
である。
にタンブル流の生成される様子を示す説明図である。
降にタンブル流に衝突するように噴射される燃料噴霧の
様子を示す説明図である。
点火プラグの電極付近に滞留する混合気の様子を示す説
明図である。
室に生成されるタンブル流及びインジェクタからの燃料
噴霧の様子を示す説明図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 ペントルーフ型燃焼室の天井部に点火プ
ラグを配設し、この天井部の吸気側及び排気側の傾斜面
にそれぞれ吸気及び排気ポートを2つずつ開口させると
ともに、吸気側の燃焼室周縁部に燃料噴射弁を配設し
て、成層燃焼運転時には前記燃焼室を流れるタンブル流
に対向するように前記燃料噴射弁により燃料を噴射させ
て点火プラグの電極周りに成層化させるようにした火花
点火式直噴エンジンにおいて、 前記燃料噴射弁による燃料の噴射方向は、気筒列方向に
見て、燃料噴霧の中心線と点火プラグの軸線とが交わる
位置が該点火プラグの電極からピストン冠面側に離間す
るように設定され、 前記燃焼室の天井部を気筒中心線に沿って見て、2つの
吸気ポートの開口部同士の間隔が2つの排気ポートの開
口部同士の間隔よりも大きく、且つ、前記点火プラグの
電極が気筒中心よりも吸気側寄りに位置することを特徴
とする火花点火式直噴エンジン。 - 【請求項2】 請求項1において、 燃料噴射弁の噴口は、気筒列方向に見て、吸気側傾斜面
の外周側の端部よりも外周側に位置することを特徴とす
る火花点火式直噴エンジン。 - 【請求項3】 請求項1又は2のいずれかにおいて、 2つの吸気ポート及び排気ポートはそれぞれ開口部が同
径であり、且つ該吸気ポート開口部の直径が排気ポート
開口部の直径以下であることを特徴とする火花点火式直
噴エンジン。 - 【請求項4】 請求項3において、 吸気側の弁揚程特性は、少なくとも高速側ないし高負荷
側の均一燃焼状態において作動角又はリフト量の少なく
とも一方が排気側よりも大きくなるように設定されてい
ることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。 - 【請求項5】 請求項3において、 燃焼室へ吸気を過給する過給機を備えることを特徴とす
る火花点火式直噴エンジン。 - 【請求項6】 ペントルーフ型燃焼室の天井部に点火プ
ラグを配設し、この天井部の吸気側及び排気側の傾斜面
にそれぞれ吸気及び排気ポートを2つずつ開口させると
ともに、吸気側の燃焼室周縁部に燃料噴射弁を配設し
て、成層燃焼運転時には前記燃焼室を流れるタンブル流
に対向するように前記燃料噴射弁により燃料を噴射させ
て点火プラグの電極周りに成層化させるようにした火花
点火式直噴エンジンにおいて、 前記燃料噴射弁の噴口は、気筒列方向に見て、気筒の外
周端よりも内周側に位置し、 前記燃料噴射弁による燃料の噴射方向は、気筒列方向に
見て、燃料噴霧の中心線と点火プラグの軸線とが交わる
位置が該点火プラグの電極からピストン冠面側に離間す
るように設定され、 前記吸気ポートの開口部は、気筒列方向に見て、排気ポ
ートの開口部よりもピストン冠面から遠くなるようにず
らして配置されていることを特徴とする火花点火式直噴
エンジン。 - 【請求項7】 請求項6において、 燃焼室天井部の吸気側傾斜面には、吸気ポート開口部の
全周を取り囲むように円環状凹部が形成されていて、該
吸気ポート開口部が吸気側傾斜面よりも深い位置に形成
されていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。 - 【請求項8】 請求項6において、 2つの吸気ポート及び排気ポートはそれぞれ開口部が同
径であり、且つ該吸気ポート開口部の直径が排気ポート
開口部の直径よりも大きいことを特徴とする火花点火式
直噴エンジン。
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Cited By (9)
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---|---|---|---|---|
JP2006258063A (ja) * | 2005-03-18 | 2006-09-28 | Mazda Motor Corp | 火花点火式直噴エンジン |
WO2008099758A1 (ja) * | 2007-02-07 | 2008-08-21 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | 内燃機関のシリンダヘッド |
JP2008210341A (ja) * | 2007-02-28 | 2008-09-11 | Mazda Motor Corp | シリンダヘッドの設計支援方法、シリンダヘッドの設計支援装置、及び、シリンダヘッドの設計支援プログラム |
JP2014152665A (ja) * | 2013-02-06 | 2014-08-25 | Toyota Motor Corp | 圧縮着火式内燃機関 |
CN106014602A (zh) * | 2015-03-24 | 2016-10-12 | 马自达汽车株式会社 | 发动机 |
WO2016189567A1 (ja) * | 2015-05-25 | 2016-12-01 | 日産自動車株式会社 | 内燃機関 |
WO2016189566A1 (ja) * | 2015-05-25 | 2016-12-01 | 日産自動車株式会社 | 内燃機関 |
JP2016217314A (ja) * | 2015-05-25 | 2016-12-22 | 日産自動車株式会社 | 内燃機関 |
JP2019167875A (ja) * | 2018-03-23 | 2019-10-03 | トヨタ自動車株式会社 | 内燃機関 |
-
2002
- 2002-02-06 JP JP2002029413A patent/JP4032762B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006258063A (ja) * | 2005-03-18 | 2006-09-28 | Mazda Motor Corp | 火花点火式直噴エンジン |
JP4609708B2 (ja) * | 2005-03-18 | 2011-01-12 | マツダ株式会社 | 火花点火式直噴エンジン |
WO2008099758A1 (ja) * | 2007-02-07 | 2008-08-21 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | 内燃機関のシリンダヘッド |
US8209980B2 (en) | 2007-02-07 | 2012-07-03 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Cylinder head of internal-combustion engine |
JP2008210341A (ja) * | 2007-02-28 | 2008-09-11 | Mazda Motor Corp | シリンダヘッドの設計支援方法、シリンダヘッドの設計支援装置、及び、シリンダヘッドの設計支援プログラム |
JP2014152665A (ja) * | 2013-02-06 | 2014-08-25 | Toyota Motor Corp | 圧縮着火式内燃機関 |
CN106014602A (zh) * | 2015-03-24 | 2016-10-12 | 马自达汽车株式会社 | 发动机 |
JP2016180359A (ja) * | 2015-03-24 | 2016-10-13 | マツダ株式会社 | エンジンの吸気装置 |
WO2016189567A1 (ja) * | 2015-05-25 | 2016-12-01 | 日産自動車株式会社 | 内燃機関 |
WO2016189566A1 (ja) * | 2015-05-25 | 2016-12-01 | 日産自動車株式会社 | 内燃機関 |
JP2016217314A (ja) * | 2015-05-25 | 2016-12-22 | 日産自動車株式会社 | 内燃機関 |
JPWO2016189567A1 (ja) * | 2015-05-25 | 2018-03-01 | 日産自動車株式会社 | 内燃機関 |
US10309339B2 (en) | 2015-05-25 | 2019-06-04 | Nissan Motor Co., Ltd. | Internal combustion engine |
JP2019167875A (ja) * | 2018-03-23 | 2019-10-03 | トヨタ自動車株式会社 | 内燃機関 |
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