JP2005194942A

JP2005194942A - 筒内噴射式内燃機関

Info

Publication number: JP2005194942A
Application number: JP2004002497A
Authority: JP
Inventors: Yukio Koseki; 優紀夫小関
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-01-07
Filing date: 2004-01-07
Publication date: 2005-07-21

Abstract

【課題】夫々の点火プラグに燃料濃度の濃い混合気を導くこと。
【解決手段】燃焼室内に燃料Ｊを直接噴射する燃料噴射弁６と、複数の点火プラグ７Ａ，７Ｂとを備えた筒内噴射式内燃機関において、ピストン３の頂面に、例えば燃焼室の略中央に位置する燃料噴射弁６から噴射された燃料Ｊが衝突する突起３４と、例えば燃焼室の側壁近傍に位置する点火プラグ７Ａ，７Ｂ毎に設けられ且つ前記突起３４に衝突して分流された燃料Ｊを各々の点火プラグＡ，７Ｂに案内する複数のキャビティ３３Ａ，３３Ｂとを形成すること。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃焼室の略中央に設けた燃料噴射弁から燃焼室内に燃料を直接噴射する多点点火方式の筒内噴射式内燃機関に関する。

一般に、筒内噴射式内燃機関においては、圧縮工程時に燃料を燃焼室内に噴射し、点火プラグの近傍に燃料濃度の濃い混合気を偏在させて、燃焼室全体としては理論空燃比よりも希薄な混合気で燃焼させる所謂成層燃焼と、吸気工程時に燃料を燃焼室内に噴射することによって、燃焼室内の混合気を均質な状態にして燃焼させる所謂均質燃焼とを使い分けている。

例えば、その成層燃焼は燃費を向上させたいときに行われ、均質燃焼は高出力化を図りたいときに行われる。また、成層燃焼については、機関始動直後等の冷間時に行うことで排気ガスの温度を高温化させて触媒を早期に活性化温度まで上昇させるので、冷間時における排気ガスの浄化作用を高めることもできる。

そこで、燃焼室の略中央の燃料噴射弁から燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関において成層燃焼を行う為の従来の技術としては、例えば、ピストン頂面に設けたキャビティに向けて燃料を噴射し、その噴霧をキャビティで巻き上げることで点火プラグに導いて、点火プラグ近傍の混合気の燃料濃度を高める、という下記の特許文献１，２に開示されたものがある。

具体的に、この特許文献１には、燃焼室の上部中央に設けた燃料噴射弁と、この燃料噴射弁からの燃料を二方向に導く壁面が形成されたピストン頂面中央のキャビティと、その燃料噴射弁の近傍に設けた点火プラグとを有し、このキャビティの夫々の壁面に向けて噴射された燃料の一方を、上記点火プラグに導く技術が開示されている。

また、上記特許文献２には、燃焼室の上部中央に設けた燃料噴射弁及び点火プラグと、その燃料噴射弁からの燃料をキャビティ内に導く通路が形成されたピストンと、燃焼室の側面に設けた成層燃焼用の点火プラグとを備え、その通路に向けて燃料を噴射し、キャビティを介して燃料を上記成層燃焼用の点火プラグに導く技術が開示されている。

特開２００３−２０１８４６号公報特開平１０−３０４４２号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された技術にあっては、一方の噴射燃料は点火プラグ近傍に到達するが、他方は点火プラグ近傍とは全く異なる領域に到達するので、点火プラグ近傍の混合気の燃料濃度が薄くなって成層度が低くなってしまう。そして、これにより、成層燃焼時における燃焼の悪化を招来してしまう、という不都合があった。

また、上記特許文献２に開示された技術にあっては、二本の点火プラグが用意されているが、成層燃焼時には成層燃焼用の点火プラグのみにしか燃料濃度の高い混合気が導かれない。これにより、二点点火方式の利点，即ち双方の点火プラグで点火して火炎伝播距離を短くし、速く均等に完全燃焼に近い形で燃焼させて低燃費と高出力化の両立を図り得るという利点が損なわれてしまう。

そこで、本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、複数の点火プラグ夫々に燃料濃度の濃い混合気を導き得る多点点火方式の筒内噴射式内燃機関を提供することを、その目的とする。

上記目的を達成する為、請求項１記載の発明では、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、複数の点火プラグとを備え、更に、ピストンの頂面に、その燃料噴射弁から噴射された燃料が衝突する突起と、点火プラグ毎に設けられ且つ前記突起に衝突して分流された燃料を各々の点火プラグに案内する複数のキャビティとを形成している。

これにより、ピストンが上死点近傍に位置しているときに燃料噴射弁から噴霧されると、その噴霧が突起に衝突して分流され、夫々のキャビティを介して燃料濃度の高い混合気が各点火プラグに導かれる。

また、上記目的を達成する為、請求項２記載の発明では、上記請求項１記載の筒内噴射式内燃機関において、前記燃料噴射弁を燃焼室の略中央に設け、前記各点火プラグを燃焼室の側壁近傍に設けている。

これにより、燃料濃度の高い混合気を夫々の点火プラグに案内するだけでなく、略同濃度の燃料濃度の高い混合気を夫々の点火プラグに案内することができる。

本発明に係る筒内噴射式内燃機関によれば、燃料濃度の高い混合気を夫々の点火プラグに導くことができ、点火プラグ以外の領域にはその混合気が行かないようにすることを可能にしている。これが為、圧縮工程の後半（ピストンが上死点近傍に位置しているとき）に噴霧することで、良好な成層燃焼を行うことが可能となる。また、燃料噴射弁を燃焼室の略中央に設けると共に各点火プラグを燃焼室の側壁近傍に設けることで、略同濃度の燃料濃度の高い混合気を夫々の点火プラグに導くことができ、その際、夫々の点火プラグを略同時期に点火することで、噴霧された燃料を速く均等に燃焼させることが可能になる。これにより、成層燃焼による燃費向上効果を更に高めることができ、更に、低燃費化と高出力化との両立をも有効に図り得る。

以下に、本発明に係る筒内噴射式内燃機関の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。尚、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

本発明に係る筒内噴射式内燃機関の実施例１を図１から図３に基づいて説明する。

図１は本実施例１の筒内噴射式内燃機関の上面図であり、また、図２及び図３はこの筒内噴射式内燃機関の縦断面図であって、その燃焼室周辺の構成を示す図である。尚、ここでは一気筒のみを図示しているが、本発明は、直列やＶ型等に形式に拘らず多気筒の内燃機関に適用される。

上記燃焼室は、図２に示す如く、シリンダブロック１に形成されたシリンダボア１１の壁面と、シリンダヘッド２の下面に形成された凹部２１の壁面と、ピストン３の頂面とにより囲まれた空間から構成される。尚、本実施例１にあってはペントルーフ型の燃焼室について例示するが、その燃焼室の形状については、必ずしもこれに限定するものではない。

ここで、本実施例１のシリンダヘッド２には、燃焼室に開口する図２に示す吸気ポート２２Ａ，２２Ｂと排気ポート２３Ａ，２３Ｂとが夫々二つずつ形成されている（図２においては便宜上夫々一つのみを図示している。）。そして、これら吸気ポート２２Ａ，２２Ｂ及び排気ポート２３Ａ，２３Ｂには、夫々にその開口を開閉し得る吸気弁４Ａ，４Ｂ及び排気弁５Ａ，５Ｂが設けられている。

また、このシリンダヘッド２には、その凹部２１の略中央に燃料噴射弁６が設けられている。ここで、本実施例１の燃料噴射弁６は、噴霧角（噴霧の拡がり角）が狭い略円錐状の中実噴霧を行うものであり、燃焼室の軸線方向と略平行に噴霧するよう配置されている。

また更に、このシリンダヘッド２には、その凹部２１の周縁部分に二本の第１及び第２の点火プラグ７Ａ，７Ｂが設けられている。ここで、本実施例１の夫々の点火プラグ７Ａ，７Ｂは、図１及び図２に示す如く、シリンダ中心線に向けて斜め下方に傾倒させ、更に左右対称に配置される。

次に、本実施例１のピストン３について詳述する。

このピストン３の頂面には、図１に示す如く、各吸気弁４Ａ，４Ｂ用のバルブリセス３１Ａ，３１Ｂと各排気弁５Ａ，５Ｂ用のバルブリセス３２Ａ，３２Ｂとが形成されており、その各吸気弁用バルブリセス３１Ａ，３１Ｂの間及び各排気弁用バルブリセス３２Ａ，３２Ｂの間に、夫々皿状で且つ略楕円形状の窪み（以下、「第１及び第２のキャビティ」という。）３３Ａ，３３Ｂが形成されている。尚、ピストン３は、必ずしも上記バルブリセス３１Ａ，３１Ｂ，３２Ａ，３２Ｂを有する必要は無い。

ここで、本実施例１の夫々のキャビティ３３Ａ，３３Ｂは、ピストン３の頂面における中央部近傍から外郭部近傍までの間に形成され、その外郭部近傍における夫々の上方に上記第１及び第２の点火プラグ７Ａ，７Ｂが位置するように形成される。

更に、このピストン３の頂面には、その中央部で且つ各キャビティ３３Ａ，３３Ｂの間に断面が略三角形の図１〜図３に示す突起３４が設けられている。本実施例１の突起３４は、その図２に示す第１及び第２の壁面３４ａ，３４ｂが各キャビティ３３Ａ，３３Ｂの壁面３３Ａ₁，３３Ｂ₁に夫々繋がるように形成され、機関組み立て後に燃料噴射弁６の下方に位置するよう配置される。

ここで、この第１及び第２の壁面３４ａ，３４ｂは、後述する如く燃料噴射弁６からの噴霧を分流して各キャビティ３３Ａ，３３Ｂに夫々導く役目を果たすものである。これが為、これら各壁面３４ａ，３４ｂは、少なくともその上部側を夫々繋がるキャビティ３３Ａ，３３Ｂと反対側に傾倒させることが好ましい（本実施例１にあってはその全体を傾倒させている）。尚、同様の理由から、第１及び第２の壁面３４ａ，３４ｂは、夫々のキャビティ３３Ａ，３３Ｂの壁面３３Ａ₁，３３Ｂ₁に対して滑らかに繋がるよう形成されることが好ましい。

また、その第１及び第２の壁面３４ａ，３４ｂの幅（図３における紙面左右方向）は、燃料噴射弁６からの噴霧が突起３４の上端に到達した際の噴霧の径（例えば図３における紙面左右方向）と同等又はそれ以上になるようにする。かかる幅は、燃料噴射弁６からの噴霧を突起３４の夫々の壁面３４ａ，３４ｂの方向に確実に二分させる為のものとして好ましく、これにより、燃料噴射弁６からの噴霧が第１及び第２のキャビティ３３Ａ，３３Ｂ以外の領域に分散することを抑止できる。

尚、これら第１及び第２の壁面３４ａ，３４ｂは、平面であってもよく、夫々のキャビティ３３Ａ，３３Ｂの形状に合わせ、突起内方に向けて湾曲させてもよい。

次に、本実施例１の筒内噴射式内燃機関の運転状態に応じた噴霧による混合気の挙動について説明する。

先ず、圧縮工程時についての説明を行う。例えば、機関始動直後等の冷間時においては、通常、暖機運転が行われる。その際、制御手段（電子制御ユニット：ＥＣＵ）は、圧縮工程の後半（具体的には、圧縮工程にてピストン３が上死点近傍に到達した際）に燃料を噴霧するよう燃料噴射時期を制御している。

ここで、圧縮工程にてピストン３が上死点近傍に到達した際に、制御手段から動作指示が与えられた燃料噴射弁６は、上述した噴霧角の狭い略円錐状の中実噴霧Ｊを行う。

この噴霧Ｊは、先ずピストン頂面の突起３４に衝突し、夫々の壁面３４ａ，３４ｂの方向に分流させられる。そして、夫々の分流噴霧は、周囲の空気と交わり合いながら第１及び第２の壁面３４ａ，３４ｂから夫々のキャビティ３３Ａ，３３Ｂに流入する。これにより、これら第１及び第２のキャビティ３３Ａ，３３Ｂ内を流動しながら形成された燃料濃度の高い混合気が夫々第１及び第２の点火プラグ７Ａ，７Ｂの近傍に導かれて成層燃焼が行われる。

また、制御手段は、例えば機関の高出力化を図る際、吸気工程中に燃料を噴霧するよう燃料噴射時期を制御している。ここで、ピストン３が下死点側に位置しているときに燃料噴射弁７から噴霧されると、その噴霧Ｊは、シリンダの下方に進むにつれて拡散し、燃焼室全体に行き渡るので、均質燃焼を行わせることができる。尚、かかる場合には、例えばスワールコントロールバルブ等の既知の手段によって燃焼室内にスワール流又はタンブル流を発生させ、燃料噴射弁７から噴霧された燃料の拡散を図っている。

以上示した如く、本実施例１にあっては、ピストン頂面の突起３４が燃料噴射弁６からの噴霧Ｊを第１及び第２のキャビティ３３Ａ，３３Ｂ以外の領域に流れないよう抑止すると共に、その噴霧Ｊを夫々のキャビティ３３Ａ，３３Ｂへと二分して導くことができる。

これにより、第１及び第２の点火プラグ７Ａ，７Ｂに対してのみ燃料濃度の高い混合気を案内することができるので、好適な成層燃焼を行うことが可能となる。

更に、その燃料濃度の高い混合気を第１及び第２の点火プラグ７Ａ，７Ｂで二点点火し、火炎伝播距離を短くして速く均等に完全燃焼に近い形で燃焼させることができるので、成層燃焼による低燃費効果を更に高めることができ、また、低燃費と高出力化の両立も可能となる。

尚、本実施例１のピストン３においては断面が略三角形の突起３４を設けているが、その形状は、必ずしも本実施例１の形態に限定するものではない。但し、何れの形状の突起を設けたとしても、その突起は、第１及び第２のキャビティ３３Ａ，３３Ｂの壁面３３Ａ₁，３３Ｂ₁に夫々繋がる傾倒させた壁面を有することが好ましい。

次に、本発明に係る筒内噴射式内燃機関の実施例２を図２及び図４に基づいて説明する。

本実施例２の筒内噴射式内燃機関は、前述した実施例１と比して点火プラグの本数，ピストン頂面に形成されるキャビティの数量や突起の形状が異なり、他の構成については実施例１と同等である。これが為、以下においてはその相違点について具体的に説明する。

最初に、本実施例２のピストン３について説明する。本実施例２のピストン３は、実施例１と同様の位置に吸気弁用バルブリセス３１Ａ，３１Ｂ、排気弁用バルブリセス３２Ａ，３２Ｂ、及び第１及び第２のキャビティ３３Ａ，３３Ｂが形成されている。

本実施例２にあっては、更に、吸気弁用バルブリセス３１Ａと排気弁用バルブリセス３２Ａとの間、吸気弁用バルブリセス３１Ｂと排気弁用バルブリセス３２Ｂとの間に、夫々図４に示す第３及び第４のキャビティ３３Ｃ，３３Ｄが形成されている。これら第３及び第４のキャビティ３３Ｃ，３３Ｄについても、第１及び第２のキャビティ３３Ａ，３３Ｂと同様にピストン３の頂面における中央部近傍から外郭部近傍までの間に形成される。

即ち、本実施例２のピストン３は、その頂面に、略十字に配置した四つのキャビティ３３Ａ〜３３Ｄが形成されたものである。

ここで、これら各キャビティ３３Ａ〜３３Ｄにおける外郭部近傍部分の上方には、夫々シリンダ中心線に向けて斜め下方に傾倒させた第１〜第４の点火プラグ７Ａ〜７Ｄが配置されている。

更に、このピストン３の頂面には、その中央部で且つ各キャビティ３３Ａ〜３３Ｄにより囲まれた位置に図４に示す突起１３４が設けられている。

ここで、本実施例２の突起１３４には、燃料噴射弁６からの噴霧を分流して第１〜第４のキャビティ３３Ａ〜３３Ｄに夫々導く四つの第１〜第４の壁面１３４ａ〜１３４ｄが設けられている。

尚、本実施例２の燃焼室は、実施例１の燃焼室における図２に示す形状と同等である。これが為、図４のIII−III線及びIV−IV線で切った断面図については図２に示す断面図で代用する。その際、III−III線で切った断面図においては、図２に示す符号「３４」，「３４ａ」及び「３４ｂ」を「１３４」，「１３４ａ」及び「１３４ｂ」と読み替える。また、IV−IV線で切った断面図においては、図２に示す符号「７Ａ」，「７Ｂ」，「３３Ａ」，「３３Ｂ」，「３３Ａ₁」，「３３Ｂ₁」，「３４」，「３４ａ」及び「３４ｂ」を「７Ｃ」，「７Ｄ」，「３３Ｃ」，「３３Ｄ」，「３３Ｃ₁」，「３３Ｄ₁」，「１３４」，「１３４ａ」及び「１３４ｂ」と読み替える。

先ず、第１及び第２の壁面１３４ａ，１３４ｂは、図２（図４のIII−III線で切った断面図）に示す如く、第１及び第２のキャビティ３３Ａ，３３Ｂの壁面３３Ａ₁，３３Ｂ₁に夫々繋がるように形成され、少なくともその上部側を夫々繋がるキャビティ３３Ａ，３３Ｂとは反対側に傾倒させることが好ましい（本実施例２にあってはその全体を傾倒させている）。

また、第３及び第４の壁面１３４ｃ，１３４ｄは、図２（図４のIV−IV線で切った断面図）に示す如く、第３及び第４のキャビティ３３Ｃ，３３Ｄの壁面３３Ｃ₁，３３Ｄ₁に夫々繋がるように形成され、少なくともその上部側を夫々繋がるキャビティ３３Ｃ，３３Ｄとは反対側に傾倒させることが好ましい（本実施例２にあってはその全体を傾倒させている）。

以上示した突起１３４は、本実施例２にあっても、機関組み立て後に燃料噴射弁６の下方に位置するよう配置される。

このような突起１３４をピストン頂面に設けることによって、燃料噴射弁６からの噴霧を突起１３４の夫々の壁面１３４ａ〜１３４ｄの方向に分流することが可能になり、燃料噴射弁６からの噴霧が第１〜第４のキャビティ３３Ａ〜３３Ｄ以外の領域に分散することを抑止できる。

尚、本実施例２にあっても、突起１３４における第１〜第４の壁面１３４ａ〜１３４ｄは、夫々のキャビティ３３Ａ〜３３Ｄの壁面３３Ａ₁〜３３Ｄ₁に対して滑らかに繋がるよう形成されることが好ましく、また、平面であっても、夫々のキャビティ３３Ａ〜３３Ｄの形状に合わせ、突起内方に向けて湾曲させてもよい。

次に、本実施例２の筒内噴射式内燃機関の運転状態に応じた噴霧による混合気の挙動について説明する。尚、吸気工程時における混合気の挙動は実施例１と同等である為、ここでは圧縮工程時における噴霧のみの説明を行う。

実施例１と同様に、圧縮工程にてピストン３が上死点近傍に到達した際に燃料噴射弁６から噴霧Ｊが為されると、この噴霧Ｊは、先ずピストン頂面の突起１３４に衝突し、夫々の壁面３４ａ〜３４ｄの方向に分流させられる。ここで、その四つの分流噴霧は、周囲の空気と交わり合いながら第１〜第４の壁面３４ａ〜３４ｄから夫々のキャビティ３３Ａ〜３３Ｄに流入する。これにより、これら第１〜第４のキャビティ３３Ａ〜３３Ｄ内を流動しながら形成された燃料濃度の高い混合気が夫々第１〜第４の点火プラグ７Ａ〜７Ｄの近傍に導かれて成層燃焼が行われる。

このように、本実施例２にあっても、ピストン頂面の突起１３４が燃料噴射弁６からの噴霧Ｊを第１〜第４のキャビティ３３Ａ〜３３Ｄ以外の領域に流れないよう抑止すると共に、その噴霧Ｊを夫々のキャビティ３３Ａ〜３３Ｄへと分流して導くことができるので、夫々の点火プラグ７Ａ〜７Ｄに対してのみ燃料濃度の高い混合気を案内することができ、好適な成層燃焼を行うことが可能となる。

更に、その燃料濃度の高い混合気を第１〜第４の点火プラグ７Ａ〜７Ｄで四点点火し、火炎伝播距離を短くして速く均等に完全燃焼に近い形で燃焼させることができるので、成層燃焼による低燃費効果を更に高めることができ、また、低燃費と高出力化の両立も可能となる。

尚、上記各実施例１，２においてはキャビティと当該キャビティにより混合気が導かれる点火プラグの組を夫々二組及び四組設けた場合について例示したが、その組数は、必ずしもこれらに限定するものではない。即ち、本発明は、一つのキャビティと一本の点火プラグを一対の組として複数組設けた二点点火以上の多点点火方式の筒内噴射式内燃機関に適用することで、上述したが如き有用な効果を奏することができる。

また、各実施例１，２にあっては、下方に向けて噴霧する燃料噴射弁６を燃焼室の略中央に設けると共に、その燃焼室の側壁近傍に複数の点火プラグを設け、その燃料噴射弁６の下方のピストン頂面に突起３４（１３４）を形成した場合について例示した。これは、かかる構成にすることで略同濃度の燃料濃度の高い混合気を夫々の点火プラグに同時期に到達させることができ、これにより各点火プラグの点火を略同時期に行うことが可能となり、且つ夫々の火炎伝播距離が同等になるからである。即ち、かかる構成によって、噴霧された燃料を速く均等に燃焼させることができるので、燃費の更なる向上が図れ、更に、低燃費化と高出力化との両立をも有効に図り得るからである。

尚、本発明は、必ずしもかかる態様に限定するものではない。例えば、その燃料噴射弁６を燃焼室の中央部と壁面との中間に配置してもよい。かかる場合、突起は、燃料噴射弁６の下方に位置するようピストン頂面に形成すればよく、ピストン頂面の少なくとも二つのキャビティは、各々で突起を挟み込むような位置に形成すればよい。

更に、燃料噴射弁６を斜め下方に噴霧するように配置してもよく、かかる場合の突起は、その上端が噴霧の略中心（燃料噴射弁６の軸線上）に位置するよう形成すればよい。

以上のように、本発明に係る筒内噴射式内燃機関は、成層燃焼時における燃焼特性の向上に有用であり、特に、多点点火方式の筒内噴射式内燃機関における成層燃焼時の燃焼特性を向上させるのに適している。

本発明に係る筒内噴射式内燃機関の実施例１を示す上面図であって、その燃焼室を表した図である。実施例１の筒内噴射式内燃機関を図１に示すＩ−Ｉ線で切った縦断面図である。実施例１の筒内噴射式内燃機関を図１に示すII−II線で切った縦断面図である。本発明に係る筒内噴射式内燃機関の実施例２を示す上面図であって、その燃焼室を表した図である。

符号の説明

１シリンダブロック
２シリンダヘッド
３ピストン
６燃料噴射弁
７Ａ〜７Ｄ点火プラグ
３３Ａ〜３３Ｄキャビティ
３４，１３４突起
Ｊ噴霧

Claims

燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、複数の点火プラグとを備えた筒内噴射式内燃機関において、
ピストンの頂面に、前記燃料噴射弁から噴射された燃料が衝突する突起と、前記点火プラグ毎に設けられ且つ前記突起に衝突して分流された燃料を各々の前記点火プラグに案内する複数のキャビティとを形成したことを特徴とする筒内噴射式内燃機関。
前記燃料噴射弁を前記燃焼室の略中央に設け、前記各点火プラグを前記燃焼室の側壁近傍に設けたことを特徴とする請求項１記載の筒内噴射式内燃機関。