JP2009121251A - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】排気エミッションを悪化させることなく、圧縮行程後半に噴射される燃料によって気筒内に二つの強さが略等しいタンブル流を生成し、点火時期において気筒内全体に強い乱れを発生させることができる筒内噴射式火花点火内燃機関を提供する。
【解決手段】気筒上部周囲に配置された燃料噴射弁１と、気筒中心軸線を通る中心縦平面Ｐに沿って延在する***部３ａを境に略対称にピストン頂面に形成された二つのキャビティ３ｂ及び３ｃとを具備し、燃料噴射弁はスリット噴孔を有して幅方向に広がる略扇形状に燃料Ｆを噴射するか又はスリット噴孔に代えて噴孔列から全体として幅方向に広がる略扇形状に燃料を噴射するものであり、噴射燃料の幅方向は気筒中心軸線に直交する横平面及び中心縦平面と略平行とされ、圧縮行程後半において、燃料噴射弁は略扇形状の噴射燃料の中心Ｃがピストン頂面とシリンダボアとの境界Ｂへほぼ向くように燃料を噴射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。

気筒内へ直接的に燃料を噴射して気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を圧縮行程末期の点火時期において着火燃焼させる均質燃焼が公知である。このような均質燃焼を良好なものとするためには、点火時期において気筒内に強い乱れを存在させて燃焼速度を速めることが好ましい。

そのためには、吸気行程末期に燃料を噴射し、この噴射燃料により気筒内のタンブル流を強めることが考えられるが、こうしてタンブル流を強めても吸気行程末期から圧縮行程末期までの比較的長い時間でタンブル流は減衰し、点火時期において気筒内に強い乱れを存在させることはできないことがある。

圧縮行程後半において適当な方向に燃料を噴射することにより、噴射燃料の周囲の吸気が噴射燃料と共に移動して気筒内にタンブル流が生成され、こうして生成されたタンブル流は点火時期直前までの極短時間では消滅することはなく、ピストンにより押し潰されて気筒内に強い乱れを発生させることができる。しかしながら、こうして圧縮行程後半に噴射された燃料は、微粒化されて単一のタンブル流と共に気筒内を旋回して徐々に気化するが、点火時期までには十分に気化することができず、気筒内に良好な均質混合気が形成されないために、気筒内に強い乱れが存在しても良好な均質燃焼を実現することはできない。

気筒上部略中心に燃料噴射弁を配置すると共に、ピストン頂面には中央の***部を境にして略左右対称に二つのキャビティを形成し、圧縮行程後半に燃料噴射弁から気筒中心軸線に沿って燃料を噴射することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このような構成において噴射された燃料は、周囲の吸気を引き連れてピストン頂面の***部により分流して二つのキャビティに沿って進行し、こうして噴射燃料により引き連れられた吸気流は、二つのキャビティに沿って互いに反対方向に気筒内を縦方向に旋回する二つのタンブル流となる。

これら二つのタンブル流は略等しい気筒内空間を旋回するために、強さが略等しく互いにバランスして圧縮行程末期の点火時期直前にピストンにより押し潰されるまで気筒内を旋回し続ける。こうして、噴射燃料が二つのタンブル流に分けられて共に気筒内を旋回することにより、それぞれのタンブル流において微粒化された液状燃料が徐々に気化すれば、点火時期直前にピストンによって二つのタンブル流が押し潰されるまでにほぼ全ての液状燃料を気化させることができ、点火時期において、気筒内に乱れを発生させることができると共に、気筒内に良好な均質混合気を形成することができ、燃焼速度の速い良好な均質燃焼を実現することができる。

特開２００５−１９４９４２ 特開平９−２５６８５３

しかしながら、こうして気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁から圧縮行程後半にピストン頂面中央の***部へ向けて燃料を噴射すると、噴射燃料は短い飛行距離で***部へ到達するために、吸気との摩擦による微粒化が不十分となり、比較的多量の液状燃料が***部へ衝突することとなって、***部及び両キャビティ内には液状燃料が付着し、膨張行程において気化して燃焼に寄与することなく未燃燃料として排出されるために排気エミッションを悪化させる。

従って、本発明の目的は、排気エミッションを悪化させることなく、圧縮行程後半に噴射される燃料によって気筒内に二つの強さが略等しいタンブル流を生成し、点火時期までに燃料を十分に気化させて気筒内に良好な均質混合気を形成すると共に、点火時期において気筒内全体に強い乱れを発生させることができる筒内噴射式火花点火内燃機関を提供することである。

本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、気筒上部周囲に配置された燃料噴射弁と、気筒中心軸線を通る中心縦平面に沿って延在する***部を境に略対称にピストン頂面に形成された二つのキャビティとを具備し、前記燃料噴射弁はスリット噴孔を有して幅方向に広がる略扇形状に燃料を噴射するか又は噴孔列から噴射される複数の噴射燃料により全体として幅方向に広がる略扇形状に燃料を噴射するものであり、噴射燃料の前記幅方向は気筒中心軸線に直交する横平面及び前記中心縦平面と略平行とされ、圧縮行程後半において、前記燃料噴射弁は前記略扇形状の噴射燃料の中心がピストン頂面とシリンダボアとの境界へほぼ向くように燃料を噴射することを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁は、ピストンがピストンストロークの約三分の二だけ上昇した時に、前記略扇形状の噴射燃料の中心がピストン頂面とシリンダボアとの境界へほぼ向くように燃料を噴射することを特徴とする。

本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、点火プラグが気筒上部略中心に配置され、ピストン頂面の前記***部には点火時期の前記点火プラグ近傍に窪みが形成されていることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、圧縮行程後半において、燃料噴射弁は、略扇形状の噴射燃料の中心がピストン頂面とシリンダボアとの境界へほぼ向くように燃料を噴射するために、この境界に到達するまでの比較的長い飛行距離における吸気との摩擦によって噴射燃料は十分に微粒化され、ピストン及びシリンダボアへ衝突する液状燃料を十分に低減することができ、未燃燃料の増大により排気エミッションを悪化させることはない。噴射燃料により引き連れられた吸気は気化及び微粒化された燃料と共に、ピストン頂面とシリンダボアとの境界に衝突して上下に分流して、互いに反対方向に縦旋回する二つのタンブル流が生成される。この際に、略扇形状の噴射燃料の上側及び下側の気筒内容積は略等しいために、二つのタンブル流の強さは略等しくなる。ピストンの上昇によって、これら二つの強さの略等しいタンブル流は、噴射燃料の幅方向と略平行な中心縦平面に沿って延在する***部と接触してピストン頂面の二つのキャビティに沿って中心縦平面に対して対称に旋回するようになり、依然として、二つのタンブル流が旋回する気筒内容積が略等しいために二つのタンブル流の強さが略等しく維持され、強さの違いによって弱いタンブル流が強いタンブル流によって消滅させられることがないために、点火時期直前まで確実に持続する。二つのタンブル流がピストンにより押し潰されるまでに微粒化された液状燃料はそれぞれのタンブル流において殆ど気化し、点火時期において気筒内全体に乱れを発生させると共に気筒内には良好な均質混合気が形成され、良好な均質燃焼を実現することができる。

また、本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射弁は、ピストンがピストンストロークの約三分の二だけ上昇した時に燃料を噴射するようになっており、それにより、噴射時期が早過ぎて生成された二つのタンブル流が点火時期直前にピストンによって押し潰される前に消滅したり、また、噴射時期が遅過ぎて噴射燃料の飛行距離が短くなって多くの液状燃料がピストン頂面又はシリンダボアへ付着することにより未燃燃料の排出量が増大したりすることはなく、また、噴射時期が遅過ぎて二つのタンブル流と共に気筒内を旋回する微粒化液状燃料が点火時期直前までの時間が短くなって十分に気化せず、点火時期において気筒内に良好な均質混合気が形成されなかったりすることはない。

本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、点火プラグが気筒上部略中心に配置され、ピストン頂面の***部には点火時期の点火プラグ近傍に窪みが形成されている。それにより、窪み内で乱れる混合気から確実に燃焼を開始させることができ、燃焼初期から燃焼速度を高めることができる。

図１は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図であり、図２は気筒内平面図である。図１及び２は均質燃焼のための圧縮行程後半の燃料噴射時期を示している。これらの図において、１は気筒上部周囲に配置されて気筒内へ直接的に燃料を噴射するための燃料噴射弁であり、２は気筒上部略中心に配置された点火プラグである。３はピストン、４は一対の吸気ポート、５は一対の排気ポートを、それぞれ示している。

燃料噴射弁１は、図２に実線で示すように、スリット状の噴孔を有して幅方向ｗに広がる略扇形状に燃料Ｆを噴射するか、又は、図２に一点鎖線で示すように、スリット噴孔に代えて噴孔列から噴射される複数の噴射燃料ｆによって全体として幅方向ｗに広がる略扇形状に燃料を噴射するものである。燃料噴射弁１から噴射される燃料は、図１に示すように、厚さ方向ｔにはそれほど広がらない。

図１及び２においてＰは気筒中心軸線を通る中心縦平面であり、本実施形態においては、二つの吸気ポート４と二つの排気ポート５との間に位置している。燃料噴射弁１は気筒上部周囲の二つの吸気ポート４の中間に位置しており、燃料噴射弁１から噴射される燃料の幅方向ｗは、気筒中心軸線に直交する横平面及び中心縦平面Ｐと略平行とされている。

本筒内噴射式火花点火内燃機関は、気筒内に理論空燃比又は理論空燃比よりリーンな均質混合気を形成し、この均質混合気を点火プラグ２により着火燃焼させる均質燃焼を実施するものである。理論空燃比よりリーンな均質燃焼が実施される場合のリーン空燃比は、ＮＯ_X生成量が比較的少なくなるように設定される（例えば、約２０）。機関回転数及び機関負荷等により定まる機関運転状態毎に必要燃料量が設定されている。この必要燃料量が設定量以上であって高い機関出力が必要とされる時には、リッチ空燃比（例えば、約１２．５）での均質燃焼を実施するようにしても良い。

特に、理論空燃比又はリーン空燃比での均質燃焼においては、噴射燃料はそれほど多くないために、噴射燃料を十分に気化させて良好な均質混合気を気筒内に形成することが必要である。また、良好な均質燃焼を実現するためには、圧縮行程末期の点火時期において気筒内に強い乱れを発生させて燃焼速度を速めることが好ましい。

本実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関は、図１及び２に示すように、圧縮行程後半において、略扇形状の噴射燃料の中心Ｃがピストン頂面とシリンダボアとの境界Ｂへほぼ向くように燃料噴射弁１が燃料を噴射するようになっている。実際の燃料噴射時期制御は、例えば、燃料噴射弁１の噴孔中心が境界Ｂへ向いた時を、燃料噴射開始時期、燃料噴射終了時期、又は、燃料噴射中間時期とすることとなる。

このような燃料噴射によれば、境界Ｂに到達するまでの比較的長い飛行距離における吸気との摩擦によって噴射燃料Ｆは十分に微粒化され、ピストン及びシリンダボアへ衝突付着する液状燃料を十分に低減することができる。こうして、多量の付着燃料が膨張行程において気化して燃焼に寄与せずに排出され、未燃燃料の増大により排気エミッションが悪化することはない。

また、図１に矢印で示すように、噴射燃料Ｆにより引き連れられた吸気は気化及び微粒化された燃料と共に、ピストン頂面とシリンダボアとの境界Ｂに衝突して上下に分流して、互いに反対方向に縦旋回する二つのタンブル流Ｔが生成される。この際に、略扇形状の噴射燃料Ｆの上側及び下側の気筒内容積は略等しいために、二つのタンブル流Ｔの強さは略等しくなる。

図１及び２に示すように、ピストン３の頂面には、中心縦平面Ｐに沿って延在する***部３ａを境に略対称に第一キャビティ３ｂ及び第二キャビティ３ｃが形成されている。燃料噴射弁１から遠い第一キャビティ３ｂは、噴射燃料Ｆの上側に形成されたタンブル流Ｔの減衰を抑制するように形成され、燃料噴射弁１側の第二キャビティ３ｃは、噴射燃料Ｆの下側に形成されたタンブル流Ｔの減衰を抑制するように形成されている。

それにより、前述のように気筒内に形成された二つのタンブル流Ｔは、図３に示すように、ピストン３の上昇によって、***部３ａと接触して、それぞれピストン頂面の二つのキャビティ３ｂ及び３ｃに沿って中心縦平面Ｐに対して対称に旋回するようになり、依然として、二つのタンブル流Ｔが旋回する気筒内容積が略等しいために二つのタンブル流Ｔの強さは略等しく維持され、強さの違いによって弱いタンブル流が強いタンブル流によって消滅させられることがないために、点火時期直前まで確実に持続する。

気筒内に一つのタンブル流しか形成されない場合には、このタンブル流と共に気筒内を旋回する微粒化燃料が、気筒内の一部の吸気としか接触せずに、圧縮行程後半の燃料噴射時期からタンブル流がピストンにより押し潰されるまでに十分に気化することができないのに対して、本実施形態では、噴射燃料が二つのタンブル流Ｔに分けられて気筒内を旋回するために、微粒化燃料はそれぞれのタンブル流Ｔにおいて気筒内の一部の吸気と接触し、全体としては気筒内の比較的多量の吸気と接触することとなるために、圧縮行程後半の燃料噴射時期から二つのタンブル流Ｔがピストン３により押し潰されるまでに微粒化液状燃料はそれぞれのタンブル流Ｔにおいて殆ど気化することができる。それにより、点火時期において気筒内全体に乱れを発生させると共に気筒内には良好な均質混合気が形成され、良好な均質燃焼を実現することができる。

また、本実施形態では、燃料噴射弁は、圧縮行程後半においてピストン３がピストンストロークの約三分の二だけ上昇した時に、略扇形状の噴射燃料の中心Ｃがピストン頂面とシリンダボアとの境界Ｂへほぼ向くように燃料噴射弁１が燃料を噴射するようになっている。言い換えれば、燃料噴射弁１の噴孔中心は、ピストン３がピストンストロークの約三分の二だけ上昇した時のピストン頂面とシリンダボアとの境界Ｂへ向けられており、ピストン３がピストンストロークの約三分の二だけ上昇した時に、燃料噴射弁１は燃料を噴射するようになっている。

それにより、噴射時期が早過ぎて生成された二つのタンブル流Ｔが点火時期直前にピストンによって押し潰される前に消滅したり、また、噴射時期が遅過ぎて噴射燃料の飛行距離が短くなって多くの液状燃料がピストン頂面又はシリンダボアへ付着することにより未燃燃料の排出量が増大したりすることはない。また、噴射時期が遅過ぎて二つのタンブル流Ｔと共に気筒内を旋回する微粒化液状燃料が点火時期直前までの時間が短くなって十分に気化せず、点火時期において気筒内に良好な均質混合気が形成されなかったりすることはない。

また、本実施形態において、ピストン頂面の***部３ａには点火時期の点火プラグ２近傍に窪み３ｄが形成されている。もし、このような窪み３ｄが***部３ａに形成されていないと、***部３ａとシリンダヘッドとの間の僅かな隙間では混合気の乱れが消滅し易く、燃焼初期の燃焼が緩慢となることがある。しかしながら、本実施形態では、点火時期において、窪み３ｄ内で乱れる混合気から確実に燃焼を開始させることができ、燃焼初期から燃焼速度を高めることができる。

こうして窪み３ｄ内で発生させた火炎は、***部３ａ上の混合気及び二つのキャビティ３ｂ上の混合気へ伝播し、***部３ａ上の混合気は乱れが消滅しても僅かな量であり、強い乱れが存在する二つのキャビティ３ｂ上の混合気が急激に燃焼して燃焼速度の速い良好な均質燃焼が実現される。

本実施形態において、機関運転状態により定まる必要燃料量を分割して噴射するようにしても良い。こうして分割して噴射された燃料は、シリンダボアとピストン頂面との境界Ｂへ到達するまでの飛行中に気化及び微粒化し易くなる。

燃料噴射時期をさらに遅角することにより、噴射燃料は、燃料噴射弁１側の第二キャビティ３ｃに衝突して点火プラグ１近傍に向かう。それにより、点火プラグ１近傍だけに可燃混合気を形成する成層燃焼を実施することができる。このような成層燃焼は、点火時期を例えば膨張行程中期まで大幅遅角しても可燃混合気を着火燃焼させることができるために、冷間始動時等の触媒装置の早期暖気のために、排気ガス温度を十分に高めるのに利用することができる。

本筒内噴射式火花点火内燃機関において、二つのタンブル流Ｔを確実に発生させるために、噴射燃料Ｆの貫徹力は、例えば、噴射開始から１ｍｓ後の燃料先端が６０ｍｍ以上に達するように強くすることが好ましい。

本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図であり、圧縮行程後半の燃料噴射時期を示している。 図１の筒内噴射式火花点火内燃機関の気筒内平面図である。 本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図であり、二つのタンブル流がピストンにより押し潰される直前の時期を示している。

符号の説明

１ 燃料噴射弁
２ 点火プラグ
３ ピストン
４ 吸気ポート
５ 排気ポート
Ｆ 噴射燃料
Ｔ タンブル流

Claims (3)

1. 気筒上部周囲に配置された燃料噴射弁と、気筒中心軸線を通る中心縦平面に沿って延在する***部を境に略対称にピストン頂面に形成された二つのキャビティとを具備し、前記燃料噴射弁はスリット噴孔を有して幅方向に広がる略扇形状に燃料を噴射するか又は噴孔列から噴射される複数の噴射燃料により全体として幅方向に広がる略扇形状に燃料を噴射するものであり、噴射燃料の前記幅方向は気筒中心軸線に直交する横平面及び前記中心縦平面と略平行とされ、圧縮行程後半において、前記燃料噴射弁は前記略扇形状の噴射燃料の中心がピストン頂面とシリンダボアとの境界へほぼ向くように燃料を噴射することを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
2. 前記燃料噴射弁は、ピストンがピストンストロークの約三分の二だけ上昇した時に、前記略扇形状の噴射燃料の中心がピストン頂面とシリンダボアとの境界へほぼ向くように燃料を噴射することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
3. 点火プラグが気筒上部略中心に配置され、ピストン頂面の前記***部には点火時期の前記点火プラグ近傍に窪みが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。

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