JP2943486B2 - 筒内噴射型内燃機関 - Google Patents

筒内噴射型内燃機関

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JP2943486B2
JP2943486B2 JP4044008A JP4400892A JP2943486B2 JP 2943486 B2 JP2943486 B2 JP 2943486B2 JP 4044008 A JP4044008 A JP 4044008A JP 4400892 A JP4400892 A JP 4400892A JP 2943486 B2 JP2943486 B2 JP 2943486B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、吸気ポートよりシリン
ダ内に流入した気体を旋回流とした上で、筒内に燃料噴
射を行って混合気を生成して燃焼させる筒内噴射型内燃
機関に関する。
【0002】
【従来の技術】通常の内燃機関の本体はシリンダヘッド
とシリンダブロック及びクランクケースをこの順に重ね
て主要部が構成され、それらの内部にはピストンを嵌挿
したシリンダと、シリンダの上部から成る燃焼室に吸排
気弁を介し連通可能な吸排気路と、吸排気弁を駆動する
動弁系と、ピストンの往復動を回転運動に変換してクラ
ンクシャフトに伝達するコンロッド等が収容されてい
る。このような内燃機関が例えば4サイクルエンジンの
場合、吸入行程でシリンダ内に吸入した吸気に対しその
吸気量に見合った量の燃料を供給して燃焼エネルギを発
生させ、同エネルギを回転エネルギとして出力してい
る。このような内燃機関の内、燃焼室に直接燃料噴射を
行って運転応答性を改善出来る筒内噴射型の内燃機関が
知られている。
【0003】この種の筒内噴射型の内燃機関としては、
圧縮着火内燃機関であるディーゼルエンジン及び火花点
火内燃機関であるガソリンエンジン等が知られている。
このうち、ディーゼルエンジンは点火手段を必要としな
いが、高圧縮比を達成できる機関及び高圧燃料噴射手段
を必要とし、大型化や重量増等に問題を残している。こ
れに対し、筒内噴射型のガソリンエンジンは、例えば図
9、図10に示すように構成される。ここでのガソリン
エンジンは4弁式であり、そのシリンダS内にはピスト
ン51が嵌挿され、ピストン51の上死点より下死点へ
の摺動時に図示しない一対の吸気弁を開き、吸気導通路
52側より空気を各吸気ポート54を介して燃焼室50
内に導き、吸気及び圧縮行程の所定時に図示しないイン
ジェクタを駆動して筒内噴射を行い、圧縮行程終了時に
点火プラグ56を駆動して燃焼行程を行い、その後の排
気行程では排ガスをピストン51の上昇時に図示しない
排気弁を開いて排気ポート55より排気導通路53側に
排出する様に構成されている。
【0004】このようなガソリンエンジンはディーゼル
エンジンと比較して大型化や重量増等の問題は少なかっ
た。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
筒内噴射型のガソリンエンジンは吸排気ポートより延び
る各導通路52,53が図示しないシリンダヘッドの両
側壁面にそれぞれ開口する構成を取る。ここで、燃焼室
の上側のシリンダヘッドのシリンダ対向部には各導通路
52,53や点火プラグ56が配備され、特に、各気筒
の体積効率を確保すべく各導通路52,53が大きく形
成され、あるいは図10のように2つの吸気導通路5
2,52及び2つの排気導通路53,53を配設した場
合にはほとんどインジェクタを装着するインジェクタ取
付部を確保するスペースが少なく、設計的な制約が多く
最適なレイアウトの実現は極めて困難となっている。
【0006】特に、筒内噴射エンジンで層状化リーンバ
ーンを実現させるためには、噴霧を出来るだけコンパク
トに集め、リッチ混合気を点火プラグ近傍に集合させ、
燃焼安定性を確保する必要がある。しかし、従来の筒内
噴射エンジンでは上述のようにレイアウト上の制約によ
ってインジェクタを点火プラグ方向に向けることはほと
んど困難であった。
【0007】本発明の目的は点火プラグに対する筒内噴
射用のインジェクタの取付スペースの確保が容易で、し
かも、燃焼安定性の向上を図れる筒内噴射型内燃機関を
提供することにある。
【0008】
【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、本発明の筒内噴射型内燃機関は、シリンダ内に嵌
挿されるピストンの上面とシリンダヘッドの下面との間
に形成された燃焼室と、上記シリンダの中心に沿ったシ
リンダ軸線を含む平面を挟んで上記シリンダヘッドの一
側に形成された吸気ポートと、上記平面を挟んで上記シ
リンダヘッドの他側に形成された排気ポートと、上記シ
リンダヘッド内に形成され、下流端が上記吸気ポートを
介して上記燃焼室に連通され且つ上流側がシリンダヘッ
ド上面に開口する吸気導通路と、上記シリンダヘッド内
に形成され、上流端が上記排気ポートを介して上記燃焼
室に連通された排気導通路と、上記燃焼室内において上
記平面内のシリンダ軸線と直交する軸の廻りに旋回する
吸気の渦流を助長すべくピストン上面に形成されると共
に、上記渦流に沿ってピストン内側に凸の曲面を呈する
凹所と、上記ピストン上面において上記凹所の側端に連
設されて上記凹所から***すると共にピストン上死点に
おいてシリンダヘッド下面に近接する***部と、上記凹
所に向けて燃料を噴霧する噴口を有するインジェクタ
と、上記シリンダヘッドにおける、上記インジェクタの
噴射燃料が上記凹所の流動規制を受けて達する上記***
部との対向位置に配設された点火プラグと、上記***部
に設けられ、ピストン上死点においてシリンダヘッド下
面に近接する斜面と凹所から***する側壁面とが交わり
構成された峰部とを備えたことを特徴とする。
【0009】
【作用】本願発明では、ピストン頂面に渦流の方向に沿
った凹所、及びこの凹所の側端に連設されて凹所から隆
起する***部が形成されていることにより、ビストン頂
面に向かう吸気がピストン上でスムーズに反転される。
また、点火プラグをインジェクタから噴射された燃料が
凹所により流動規制を受けて達する***部の対向位置に
配設したことにより、燃料を点火プラグに確実に導くこ
とができる。更に本願発明では、ピストン上死点におい
てシリンダヘッド下面に近接する斜面と凹所から***す
る側壁面とが交わり構成された峰部、即ちエッジ状の峰
部を備えていることによって、凹所に噴射された燃料が
凹所から側壁面を経てエッジ状の峰部に到達したとき、
燃料が側壁面から良好に剥離して点火プラグ側に向か
う。また、本願発明では、圧縮上死点近傍における***
部の斜面側から凹所側へ流出するスキッシュ流をエッジ
状の峰部に流出でき、しかもこのスキッシュ流により、
***部の斜面とシリンダヘッド下面との間の隙間への燃
料の侵入を防止することができる。
【0010】
【実施例】図1、図2には本発明の適用された2サイク
ル4弁式で直列4気筒の筒内噴射型内燃機関(以下単に
エンジンEと記す)を示した。このエンジンEの本体は
ヘッドカバー付きのシリンダヘッド1とシリンダブロッ
ク3及び図示しないクランクケース及びクランクカバー
をこの順に重ねて一体化して構成され、それらの内部に
はピストン2を嵌挿したシリンダSと、シリンダSの上
部から成る燃焼室7に連通可能な吸排気導通路4a,4
b,5a,5bと、これら吸排気導通路を開閉する各一
対の吸排気弁10,11を駆動する図示しない動弁系
と、ピストン2の往復動を回転運動に変換する図示しな
いクランクシャフト及びコンロッド等が収容されてい
る。ここでのエンジンEにおける各気筒の構成は同一で
あるので、ここでは1の気筒に関して主に説明する。
【0011】ここでのシリンダヘッド1はシリンダSの
中心に沿ったシリンダ軸線Lを含む平面FC(ここでは
図3に示すようにヘッド長手方向に延出している)を挾
んで一側に一対の吸気ポート8aを他側に排気ポート9
aをそれぞれ備える。シリンダヘッド1にはシリンダS
内に形成される燃焼室7に対向するシリンダ対向下壁面
6が形成され、同下壁面はその中央に平面FCの延出す
る方向に長い楔状凹部601を形成される。この楔状凹
部601の一側、即ち、シリンダ軸線を含む平面FCを
挾んだ一側には一対の吸気導通路4a,4aに続く吸気
ポート8a,8b及び他側には一対の排気導通路5a,
5bに続く排気ポート9a,9bがそれぞれ形成され
(図1、図5参照)、各ポートは吸気弁10及び排気弁
11によってそれぞれ開閉される。更に、楔状凹部60
1のほぼ中央位置で、ピストン2がTDC位置に達した
際における後述の***部23の峰部232との対向位置
には、点火プラグ20が装着される。
【0012】ここで一対の排気導通路5a,5bは図
2、図5に示すように排気ポート9aより湾曲して延出
し、更に平面FCより離れる方向に直状に延び、シリン
ダヘッド1の他側壁面に開口する様に構成されている。
一対の吸気導通路4a,4bはシリンダ軸線を含む平面
FCの一側(図3では平面FCの右側域)にあって、シ
リンダヘッド1内を上下方向に直状に延びるように形成
され、その下流側が各吸気ポート8aに連通し、上流端
の開口がシリンダヘッド1の上面1fにおいて吸気管1
3に接続される。
【0013】ここで各吸気導通路4a,4bに直状に連
結される各吸気管13はその上端がインタクーラ141
内蔵のプレナムチャンバ14に各分岐管12を介して連
通し、チャンバ14の流入口17は可変速プーリ付きの
遠心式掃気ポンプ15に連通されている。このように、
このエンジンEの各吸気導通路4a,4bや各吸気管1
3は上下に長い直状を成すので吸気に対する流動抵抗が
比較的低くなり、燃焼室7に比較的多くの吸気を供給し
易く、エンジンの体積効率を向上することができる。
【0014】シリンダヘッド1の平面FCの一側で一対
の吸気導通路4aの外側の領域にはインジェクタ取付部
1aが形成され、同部1aにインジェクタ18が装着さ
れる。このインジェクタ18には畜圧機25を介して高
圧ポンプ19が連結される。この高圧ポンプ19やイン
ジェクタ18は図示しないエンジンコントローラに接続
され、インジェクタには所定の噴射タイミング(クラン
ク角)において所定噴射時間(図6中のPH,PL)だ
け駆動出力が供給されるように構成されている。
【0015】ここでのインジェクタ取付部1aは各吸気
導通路4aが各吸気ポート8aより直状に上側に延びて
いることより、その一対の吸気導通路4aの外側の領域
が解放されており、十分なスペースの確保が出来る。こ
のため、インジェクタ取付部1a及びインジェクタ18
自体の最適なレイアウトを確保く、点火プラグ20との
相対的な向きや位置等を設定する上でも自由度が大き
い。更に、インジェクタ取付部1aは一対の吸気導通路
4aの外側に位置し、インジェクタ本体及び燃料の冷却
性の向上を比較的図りやすく、インジェクタの耐久性の
確保、燃料供給路の熱害の回避をも図りやすい。
【0016】1の気筒のシリンダS内にはピストン2が
嵌挿されており、図8に示すように、このピストン2は
実線で示す上死点TDCと、2点鎖線で示す下死点BD
Cの間で往復動する。図2に示す様にピストン2はスカ
ート部21と主部22を有し、ピストンの主部22の上
面には凹部24及び***部23を形成している。ここで
凹部24及び***部23は、平面FC内のシリンダ軸線
Lの直交線LH(図3参照)の平行線LH1のまわりの
吸気の逆タンブル流TFを助長すべく形成される。
【0017】この場合、凹所24はシリンダ軸線Lを含
む状態で排気ポート9a側に偏心して形成されると共に
少なくとも直交線LHの直交面視(図2、図8中に直交
面視相当の凹所24が示される。)において下に凸の曲
面を呈する。***部23は凹所24の吸気ポート8a側
に連設され、平面FCと対向したままで平面方向に延び
る側壁vf、斜面である外側壁231及び両壁の結合端
の峰部232を有する。特に、図8に実線で示すよう
に、ピストン2が上死点TDCに位置する際に、斜面で
ある外側壁231及び峰部232がシリンダ対向下壁面
6に近接するように構成されている。なお、この***部
23の側壁vfは凹所24からなだらかに***してくる
曲面に連続的に接続している。
【0018】このため、図2に示すように、ピストン2
が吸気終了時に下死点BDC側に達する際、吸気ポート
8aより流入した吸気は軸線Lの方向に沿ってピストン
上面に向かい、更に、凹所24及び側壁vfによってU
ターンし、シリンダ軸線Lを含む平面FC内直交線LH
の平行線LH1回りに回転する逆タンブル流TFが生成
される。
【0019】さらに、図8に実線で示すように、ピスト
ン2が圧縮終了時に達した際、そのピストンの凹所24
及び側壁vfとシリンダ対向下壁面6間にはコンパクト
燃焼室Cが形成される。この燃焼室C内に噴射された燃
料は凹所24及び側壁vfに衝突し、衝突後の噴霧燃料
は峰部232との対向位置に配設された点火プラグ20
に向かって飛散でき、しかも、コンパクト燃焼室C内に
生成されている気流は凹所24及び側壁vfによって流
動規制を受けて点火プラグ20に向けて同時に流動でき
る。しかも、この時、点火プラグ20に向かう混合気流
にはピストン2の上昇によって外側壁231側で生じた
スキッシュSFがぶつかり、混合気が更に撹拌され、よ
り燃焼性が改善されることとなる。更にまた、凹所24
及び***部23によって噴射燃料、特に圧縮後期に噴射
された燃料はコンパクト燃焼室Cに確実に受け止めら
れ、ピストン周辺部側に拡散することを防止され、ピス
トンとシリンダ内壁間のクレビスQに燃料が浸入するこ
とを低減出来、結果として排気中のHC濃度の低減を図
ることも出来る。
【0020】このようなエンジンEは2サイクルである
ため、図6に示すように、TDCの0°より前回の燃焼
行程を行い、クランク角で90°を経過後に排気弁11
を開き、排気行程に入り、更に、クランク角120°近
くに達すると吸気弁10をも開き、吸気行程にも入る。
この時、図8に2点鎖線で示す様に吸気ポート8a,8
bよりの吸気は凹所24及び側壁vfの働きでシリンダ
軸線L方向である下向きに流入する吸気をUターンさせ
て、逆タンブル流TFを生成出来る。
【0021】下死点BDC経過後、クランク角230°
手前近傍で排気弁11を閉じ、圧縮行程に入り、同時に
高回転時であればインジェクタ18の駆動に入り、所定
噴射時間PHだけインジェクタを噴射駆動させる。これ
によって逆タンブル流TFに噴射された燃料は確実に混
合され、高出力発生を適確に行うことが出来る。この
後、吸気弁10をも閉じて吸排気を完了し、完全に圧縮
行程のみを行う。この時機関が低回転時であると、この
時点で、後期筒内噴射を所定時間PL行う。
【0022】この後期筒内噴射ではコンパクト燃焼室C
が形成されており、混合気はコンパクトに集まって層状
を成し、層状のリッチ混合気は点火プラグ20に流動
し、容易に点火燃焼され、リーンバーンを達成出来る。
この後期筒内噴射では、燃焼条件の設定によっては空燃
比50以上の超リーンバーンを確保することが可能と成
り、図示燃費率で30%の燃費向上を図ることも可能で
ある。この後、上死点TDC前の所定点火時期に達する
と、点火プラグ20を駆動して点火処理(図6には符号
△で示した)に入る。この点火処理によって燃焼室の筒
内圧が上昇し、ピストンを押し下げ、出力を発すること
と成る。
【0023】ここで、インジェクタ18は機関が高速回
転時にあると制御手段によって所定噴射時間PHだけ噴
射駆動し、低速回転時にあると所定噴射時間PLだけ噴
射駆動するように制御される。これによって、高速時に
は、燃料と逆タンブル流TFを成す空気との混合を早期
に開始しすることによって、乱れを促進し、急速燃焼の
実現を図ることができる。他方、低速時には噴射を遅ら
せて後期筒内噴射を実行し、コンパクト燃焼室Cの生成
を待ち、ここに燃料噴射を行って、スキッシュSFの撹
拌作用も受けて、着火性の確保を十分に図ることができ
る。
【0024】更に、インジェクタ取付部1aは一対の吸
気導通路4aの外側に位置し、インジェクタ本体及び燃
料の冷却性の向上を比較的図りやすく、インジェクタの
耐久性の確保、熱害の回避をも図りやすい。高速時に
は、燃料噴射を早期に開始して、混合気の生成を十分に
図り、高出力の発生を促進し、他方、低速時には噴射を
遅らせて、コンパクト燃焼室Cの生成を待ち、ここに燃
料噴射を行って、スキッシュSFの撹拌作用も受けて、
着火性、燃焼安定性の確保を十分に図ることができる。
更に、コンパクト燃焼室Cが球形化しており、熱損失の
低減を図れ、低負荷運転の安定化をも図れる。図1乃至
図5には2サイクルのガソリンエンジンを説明したが、
これに代えて、4サイクルのガソリンエンジンに本発明
を適用しても良い。この場合、そのエンジン本体の構成
は同様のものが使用可能であり、重複説明を避ける。
【0025】この場合の4サイクルエンジンは図7に示
すように、TDCの0°前より吸気弁10を開き、吸気
行程に入ると共にTDCの0°経過後に排気弁11を閉
じ、前回よりの排気行程を終了させる。この後、クラン
ク角で180°までピストン2は降下し、この間逆タン
ブル流TFが生成され、この逆タンブル流TF中に、高
回転高出力時にはインジェクタより燃料噴射が成され
る。このインジェクタ18の噴射タイミングは図7に示
すように吸気行程が210°を経過後、吸気弁10を閉
じ終えた後の圧縮行程でも行われる。即ち、インジェク
タ18は機関が高速回転時には吸入早期の所定噴射時間
PHに噴射駆動し、低速低出力時には圧縮後期の後期P
Lに後期筒内噴射が成されるように制御される。
【0026】これによって、高速高負荷には、燃料と逆
タンブル流TFを成す空気との混合を早期に開始しする
ことによって、乱れを促進し、急速燃焼の実現を図るこ
とができる。他方、低速時には噴射を遅らせて、コンパ
クト燃焼室Cの生成を待ち、ここに燃料噴射を行って、
スキッシュSFの撹拌作用も受けて、着火性の確保、リ
ーンバーンを十分に図ることができる。この後、TDC
360°前近傍では図8に示すスキッシュSFも働き、
コンパクト燃焼室Cより点火プラグ20に向かう混合気
に乱れを更に生じさせ、燃焼性をより改善できる。その
直後での所定点火時期に達すると、点火プラグ20を駆
動して点火処理(図7には符号△で示した)に入る。こ
の点火処理によって燃焼室の筒内圧が上昇し、ピストン
を押し下げ、出力を発っし、燃焼行程をクランク角で5
40°近くまで行う。クランク角480°近傍では排気
弁11を開き、クランク角720経過まで排気行程を継
続し、次回の吸気行程のための吸気弁10の開処理を行
い、4サイクルを完了する。この場合も、2サイクの場
合と同様の作用効果が得られる。
【0027】上述のエンジンEは火花点火式エンジンで
有ったが、これに代えて、圧縮点火内燃機関に本発明を
適用することも出来、この場合にも図1の2サイクルエ
ンジンEと同様の各ポートやインジェクタの配置構成を
取れ、同様の作用効果が得られる。
【0028】
【発明の効果】以上のように、本願発明では、シリンダ
ヘッドの上面に開口する吸気導通路から吸気が流入する
ことにより、吸気の吸入抵抗が低減されて体積効率を向
上しながら強い旋回流を生成できる。又、本発明では、
ピストンの凹所により反転され排気弁側に向かう吸気の
渦流を、圧縮上死点近傍における***部の斜面側から凹
所側へ流出するスキッシュ流によって吸気弁側に偏向し
て、圧縮上死点近傍における吸気の渦流の生成を促進す
ると共に吸気の渦流に乱れを与えることができる。その
結果、吸気の渦流の流れ方向に沿って凹所に噴射された
燃料噴霧が該凹所の流動規制を受け、且つ吸気の渦流と
共に側壁面から峰部(エッジ)に到達したとき、この燃
料噴霧と吸気の渦流との混合気が側壁面から剥離して点
火プラグ側に導かれ確実に点火できる。しかも、その
際、スキッシュ流により混合気に乱れが与えられること
で、混合気を十分攪拌させて燃焼性を向上させることが
できる。更に、本発明では、上記スキッシュ流の存在に
より上記効果に加えて、***部の斜面とシリンダヘッド
の下面との間隙への未燃燃料の侵入を防止して、未燃燃
料の排出を低減することができる。本発明では、ピスト
ン頂面に向かう強い吸気の旋回流がピストン上でスムー
ズに反転されることによって、燃焼室内においてシリン
ダ軸線を含む平面内のシリンダ軸線と直交する軸の廻り
に旋回する吸気の渦流の生成をさらに助長することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例としての筒内噴射型内燃機関
の全体構成図である。
【図2】図1の筒内噴射型内燃機関の1の気筒の側断面
図である。
【図3】図1の筒内噴射型内燃機関の1のシリンダの概
略透視図である。
【図4】図3のA視概略図である。
【図5】図1の筒内噴射型内燃機関の1のシリンダの概
略上面図である。
【図6】図1の筒内噴射型内燃機関の駆動サイクル説明
図である。
【図7】他の実施例の筒内噴射型内燃機関の駆動サイク
ル説明図である。
【図8】図1の筒内噴射型内燃機関の1のシリンダ内ピ
ストンの作動説明図である。
【図9】従来の筒内噴射型内燃機関の要部概略側面図で
ある。
【図10】図9の筒内噴射型内燃機関のB視の概略側面
図である。
【符号の説明】
1 シリンダヘッド 2 ピストン 3 シリンダブロック 4a 吸気導通路 4b 吸気導通路 5a 排気導通路 5b 排気導通路 6 シリンダ対向下壁面 7 燃焼室 8a 吸気ポート 8b 吸気ポート 9a 排気ポート 9b 排気ポート 10 吸気弁 11 排気弁 18 インジェクタ 20 点火プラグ 23 ***部 231 外側壁 232 峰部 24 凹所 vf 側壁 TF 逆タンブル流 SF スキッシュ L シリンダ軸線 FC 平面 E エンジン S シリンダ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−58030(JP,A) 特開 平4−224231(JP,A) 特開 平4−128513(JP,A) 実開 平1−124042(JP,U) 実開 平3−52333(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F02B 1/00 - 23/10 F02F 1/00 - 3/28 F02B 31/00

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シリンダ内に嵌挿されるピストンの上面と
    シリンダヘッドの下面との間に形成された燃焼室と、 上記シリンダの中心に沿ったシリンダ軸線を含む平面を
    挟んで上記シリンダヘッドの一側に形成された吸気ポー
    トと、 上記平面を挟んで上記シリンダヘッドの他側に形成され
    た排気ポートと、 上記シリンダヘッド内に形成され、下流端が上記吸気ポ
    ートを介して上記燃焼室に連通され且つ上流側がシリン
    ダヘッド上面に開口する吸気導通路と、 上記シリンダヘッド内に形成され、上流端が上記排気ポ
    ートを介して上記燃焼室に連通される排気導通路と、 上記燃焼室内において上記平面内のシリンダ軸線と直交
    する軸の廻りに旋回する吸気の渦流を助長すべくピスト
    ン上面に形成されると共に、上記渦流に沿ってピストン
    内側に凸の曲面を呈する凹所と、 上記ピストン上面において上記凹所の側端に連設されて
    上記凹所から***すると共にピストン上死点においてシ
    リンダヘッド下面に近接する***部と、 上記凹所に向けて燃料を噴霧する噴口を有するインジェ
    クタと、 上記シリンダヘッドにおける、上記インジェクタの噴射
    燃料が上記凹所の流動規制を受けて達する上記***部と
    の対向位置に配設された点火プラグと、 上記***部に設けられ、ピストン上死点においてシリン
    ダヘッド下面に近接する斜面と凹所から***する側壁面
    とが交わり構成された峰部とを備えたことを特徴とする
    筒内噴射型内燃機関。
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