JP3301013B2 - 火花点火式燃焼方法 - Google Patents
火花点火式燃焼方法Info
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- JP3301013B2 JP3301013B2 JP34527995A JP34527995A JP3301013B2 JP 3301013 B2 JP3301013 B2 JP 3301013B2 JP 34527995 A JP34527995 A JP 34527995A JP 34527995 A JP34527995 A JP 34527995A JP 3301013 B2 JP3301013 B2 JP 3301013B2
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- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
- F02F3/00—Pistons
- F02F3/26—Pistons having combustion chamber in piston head
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B75/00—Other engines
- F02B75/12—Other methods of operation
- F02B2075/125—Direct injection in the combustion chamber for spark ignition engines, i.e. not in pre-combustion chamber
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
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- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
- Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
- Fuel-Injection Apparatus (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、シリンダ内に空気
を吸入し、ピストンにより吸入空気を圧縮するととも
に、燃料を直接筒内に噴射して点火、燃焼させる火花点
火式燃焼方法に関する。
を吸入し、ピストンにより吸入空気を圧縮するととも
に、燃料を直接筒内に噴射して点火、燃焼させる火花点
火式燃焼方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の火花点火機関は、キャブレタもし
くは噴射弁により燃料を吸気管に供給し、予め空気と混
合させて、シリンダ内に吸入、点火、燃焼させるのが主
流である。そして、混合気は可燃範囲の濃度に調節され
るため、負荷の調整は吸入空気量を制御する、すなわち
スロットル弁を使うのが普通である。そのため、ガス交
換過程で仕事が必要になり、部分負荷の使用頻度の高
い、例えば自動車用機関などでは燃費が悪い。また、可
燃範囲に調整された混合気の比熱比は小さく熱効率的に
不利である。これに対して、空気を吸入し、燃料を直接
筒内に噴射して点火、燃焼させる方式が従来提案されて
いる（実開平1-173416号）。これは、低負荷では圧縮行
程末期に燃料を噴射し、点火プラグ３０に燃料を集めて
燃焼させ、高負荷時には吸気行程で燃料を噴射し、燃料
と空気をよく混合させて点火燃焼させる方式である。こ
の場合、負荷の調整は燃料噴射量のみで行えるため、ガ
ス交換過程での仕事が不要となり、部分負荷においても
燃費がよい。また、空気の比率が高いため、比熱比も大
きく、熱効率が高い。
くは噴射弁により燃料を吸気管に供給し、予め空気と混
合させて、シリンダ内に吸入、点火、燃焼させるのが主
流である。そして、混合気は可燃範囲の濃度に調節され
るため、負荷の調整は吸入空気量を制御する、すなわち
スロットル弁を使うのが普通である。そのため、ガス交
換過程で仕事が必要になり、部分負荷の使用頻度の高
い、例えば自動車用機関などでは燃費が悪い。また、可
燃範囲に調整された混合気の比熱比は小さく熱効率的に
不利である。これに対して、空気を吸入し、燃料を直接
筒内に噴射して点火、燃焼させる方式が従来提案されて
いる（実開平1-173416号）。これは、低負荷では圧縮行
程末期に燃料を噴射し、点火プラグ３０に燃料を集めて
燃焼させ、高負荷時には吸気行程で燃料を噴射し、燃料
と空気をよく混合させて点火燃焼させる方式である。こ
の場合、負荷の調整は燃料噴射量のみで行えるため、ガ
ス交換過程での仕事が不要となり、部分負荷においても
燃費がよい。また、空気の比率が高いため、比熱比も大
きく、熱効率が高い。
【０００３】しかし、この燃焼法は適正な混合気をつく
ることが難しい。すなわち、低負荷では点火プラグ近傍
に燃料を集めなくてはならないし、高負荷では逆に燃料
を分散させ、点火プラグ周りに過濃な混合気が集まらな
いようにしなくてはならない。点火プラグ周りの混合気
が濃いと、失火やプラグのくすぶり、スモーク発生など
の原因となるからである。また、ディーゼルと異なり、
主に火炎伝播で燃焼が進行するため、燃料の素早い気
化、混合が必要である。
ることが難しい。すなわち、低負荷では点火プラグ近傍
に燃料を集めなくてはならないし、高負荷では逆に燃料
を分散させ、点火プラグ周りに過濃な混合気が集まらな
いようにしなくてはならない。点火プラグ周りの混合気
が濃いと、失火やプラグのくすぶり、スモーク発生など
の原因となるからである。また、ディーゼルと異なり、
主に火炎伝播で燃焼が進行するため、燃料の素早い気
化、混合が必要である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術の
問題点を解消するもので、燃料を素早く気化、混合させ
て可燃混合気を点火プラグ周りに形成するとともに、低
負荷時の燃焼安定性を確保したまま、高負荷時の燃料分
散性、空気利用率を確保し得る火花点火式燃焼方法を提
供することを目的とする。
問題点を解消するもので、燃料を素早く気化、混合させ
て可燃混合気を点火プラグ周りに形成するとともに、低
負荷時の燃焼安定性を確保したまま、高負荷時の燃料分
散性、空気利用率を確保し得る火花点火式燃焼方法を提
供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の火花点火
式燃焼方法は、シリンダヘッド内壁面の中央部に点火プ
ラグを配置すると共にシリンダヘッド内壁面の周縁部に
燃料噴射弁を配置し、ピストン頂面上に燃料噴射弁の下
方から点火プラグの下方まで延びるキャビティを形成し
た内燃機関の火花点火式燃焼方法において、点火プラグ
側のキャビティの端部においてキャビティの底面から上
方に延びかつ燃料噴射弁とシリンダ中心軸とを含む平面
に対して横方向に円弧状に延びる壁面をキャビティに形
成し、シリンダの中心軸に対し傾斜して配設された燃料
噴射弁の噴口から、噴口とシリンダ中心軸を含む平面に
投影したときは扁平に、噴口とシリンダ中心軸を含む平
面に垂直で、噴口と、噴霧とシリンダ中心軸の交点を含
む平面に投影したときには略扇状の燃料噴霧をその全体
がキャビティの底面に向かうように噴射して燃料噴霧を
キャビティ内に分散させ、次いでキャビティ内に分散し
た燃料噴霧をキャビティ壁面によりキャビティの上方、
内側に向けて巻き上げることにより点火プラグの周りに
集め、次いで点火プラグ周りに集められた燃料噴霧を点
火プラグにより着火するようにしたことを特徴とする。
式燃焼方法は、シリンダヘッド内壁面の中央部に点火プ
ラグを配置すると共にシリンダヘッド内壁面の周縁部に
燃料噴射弁を配置し、ピストン頂面上に燃料噴射弁の下
方から点火プラグの下方まで延びるキャビティを形成し
た内燃機関の火花点火式燃焼方法において、点火プラグ
側のキャビティの端部においてキャビティの底面から上
方に延びかつ燃料噴射弁とシリンダ中心軸とを含む平面
に対して横方向に円弧状に延びる壁面をキャビティに形
成し、シリンダの中心軸に対し傾斜して配設された燃料
噴射弁の噴口から、噴口とシリンダ中心軸を含む平面に
投影したときは扁平に、噴口とシリンダ中心軸を含む平
面に垂直で、噴口と、噴霧とシリンダ中心軸の交点を含
む平面に投影したときには略扇状の燃料噴霧をその全体
がキャビティの底面に向かうように噴射して燃料噴霧を
キャビティ内に分散させ、次いでキャビティ内に分散し
た燃料噴霧をキャビティ壁面によりキャビティの上方、
内側に向けて巻き上げることにより点火プラグの周りに
集め、次いで点火プラグ周りに集められた燃料噴霧を点
火プラグにより着火するようにしたことを特徴とする。
【０００６】
【０００７】
【０００８】
【０００９】
【００１０】
【発明の作用・効果】上記構成からなる本発明の火花点
火式燃焼方法は、噴射弁から噴出する燃料噴霧を、噴口
とシリンダ中心軸を含む平面に投影したときは扁平に、
噴口とシリンダ中心軸を含む平面に垂直で、噴口と、噴
霧とシリンダ中心軸の交点を含む平面に投影したときに
は略扇状としたことにより、燃料をキャビティ内に素早
く分散させることができる。この扁平扇形の噴霧は周囲
空気を巻き込みやすいので、圧縮行程で燃料を噴射する
と圧縮によって高温となった空気を素早く取り込み、気
化、混合が早い。さらに、噴霧の巻き込んだ空気は噴霧
の運動量を奪うため、噴霧の飛翔速度が低下し、噴霧長
さが短くなる。このため、噴射時期を早くしても燃料が
シリンダ壁を濡らしたりすることはなく、また、逆に遅
くしてもピストン表面を液膜で覆うことがない。一方、
気化、混合したキャビティ内の噴霧はキャビティ壁面に
より案内されて点火プラグ位置に集まり、斯くして少な
い燃料でも効率よく燃焼させることができる。
火式燃焼方法は、噴射弁から噴出する燃料噴霧を、噴口
とシリンダ中心軸を含む平面に投影したときは扁平に、
噴口とシリンダ中心軸を含む平面に垂直で、噴口と、噴
霧とシリンダ中心軸の交点を含む平面に投影したときに
は略扇状としたことにより、燃料をキャビティ内に素早
く分散させることができる。この扁平扇形の噴霧は周囲
空気を巻き込みやすいので、圧縮行程で燃料を噴射する
と圧縮によって高温となった空気を素早く取り込み、気
化、混合が早い。さらに、噴霧の巻き込んだ空気は噴霧
の運動量を奪うため、噴霧の飛翔速度が低下し、噴霧長
さが短くなる。このため、噴射時期を早くしても燃料が
シリンダ壁を濡らしたりすることはなく、また、逆に遅
くしてもピストン表面を液膜で覆うことがない。一方、
気化、混合したキャビティ内の噴霧はキャビティ壁面に
より案内されて点火プラグ位置に集まり、斯くして少な
い燃料でも効率よく燃焼させることができる。
【００１１】
【００１２】以下、本発明の実施の形態を図に基づき説
明する。
明する。
【００１３】
【発明の実施の形態】図１ないし図４は、本発明の第１
の実施の形態について示したもので、燃料噴射弁は、弁
体２の基端面に穿設した弁孔６に針弁１を摺嵌し針弁１
の基端部にコイルバネ５を装着する。弁孔６の先端部に
は、針弁１の円錐状の先端部７が当接する円錐状の弁座
部８を設けると共に、弁座部８から弁体２の先端面に開
口するスリット状の噴孔４を設けてある。スリット状の
噴孔４と弁座部８の間には、サック部３を設け、針弁１
の円柱状の本体部と円錐状の先端部７との境界付近周り
に位置する弁体２に円環状の圧力室１２を形成する。弁
体２の基端部に穿設した燃料供給通路１１の先端部は、
圧力室１２の外周面に連通されている。針弁１と弁体２
の間には、圧力室１２に接続する環状の接続通路１３を
設ける。燃料供給通路１１と接続通路１３を経て針弁１
の先端部７に作用する燃料の圧力が上昇すると、針弁１
がコイルバネ５に抗して弁孔６の弁座部８から離脱す
る。
の実施の形態について示したもので、燃料噴射弁は、弁
体２の基端面に穿設した弁孔６に針弁１を摺嵌し針弁１
の基端部にコイルバネ５を装着する。弁孔６の先端部に
は、針弁１の円錐状の先端部７が当接する円錐状の弁座
部８を設けると共に、弁座部８から弁体２の先端面に開
口するスリット状の噴孔４を設けてある。スリット状の
噴孔４と弁座部８の間には、サック部３を設け、針弁１
の円柱状の本体部と円錐状の先端部７との境界付近周り
に位置する弁体２に円環状の圧力室１２を形成する。弁
体２の基端部に穿設した燃料供給通路１１の先端部は、
圧力室１２の外周面に連通されている。針弁１と弁体２
の間には、圧力室１２に接続する環状の接続通路１３を
設ける。燃料供給通路１１と接続通路１３を経て針弁１
の先端部７に作用する燃料の圧力が上昇すると、針弁１
がコイルバネ５に抗して弁孔６の弁座部８から離脱す
る。
【００１４】このため、本第１の実施の形態の燃料噴射
弁は、針弁１の先端部７と弁孔６の弁座部８との隙間を
経て圧力室１２が噴孔４に連通して開弁するように構成
されている。そして、燃料通路１１、圧力室１２、接続
通路１３および針弁１の先端部７と弁孔６の弁座部８の
間の隙間によって、開弁時にスリット状の噴孔４に燃料
を供給する通路を構成して成る。この針弁１は燃料圧力
の他、電磁力等を利用して直接引き上げて開弁すること
もできる。また、スリット状の噴孔４が弁体２の外周側
の外端１０と弁体２の内周側、すなわち、サック部３側
に内端９を有し、外端１０と内端９は直線状あるいは円
弧状の通路で構成されている。
弁は、針弁１の先端部７と弁孔６の弁座部８との隙間を
経て圧力室１２が噴孔４に連通して開弁するように構成
されている。そして、燃料通路１１、圧力室１２、接続
通路１３および針弁１の先端部７と弁孔６の弁座部８の
間の隙間によって、開弁時にスリット状の噴孔４に燃料
を供給する通路を構成して成る。この針弁１は燃料圧力
の他、電磁力等を利用して直接引き上げて開弁すること
もできる。また、スリット状の噴孔４が弁体２の外周側
の外端１０と弁体２の内周側、すなわち、サック部３側
に内端９を有し、外端１０と内端９は直線状あるいは円
弧状の通路で構成されている。
【００１５】ここで、スリット状噴孔４における内端９
の幅（対向間距離）Ｗの範囲は、０．０５ｍｍ以上で
０．２４ｍｍ以下である。最適の数値範囲は、０．０６
ｍｍ以上で０．２０ｍｍ以下である。これにより、スリ
ット状噴孔４から噴射された燃料が扁平で扇形の形状と
なり、この液膜がスリット状噴孔４から遠ざかるに従っ
て、その厚みを減少し、周囲空気との接触面積を増大し
て、周囲空気によって液膜が引きちぎられ、急速に微細
な噴霧へと変化する。このようにして得られる噴霧の平
均粒径ｄｓと幅Ｗの関係を図５に示す。図５に明らかな
ように幅Ｗが大きくなると平均粒径ｄｓが大きくなるの
である。これは幅Ｗが大きくなると噴射された燃料液膜
の厚さも厚くなるからである。図５は幾多の実験等から
得られた結果であるが、図５から明らかなように、幅Ｗ
が０．２４ｍｍ以上になると噴霧の平均粒径ｄｓは急激
に大きくなる。そして、噴霧の平均粒径ｄｓがほぼ一様
な値に保たれる幅Ｗは０．０６ｍｍ以上で、０．２０ｍ
ｍ以下である。
の幅（対向間距離）Ｗの範囲は、０．０５ｍｍ以上で
０．２４ｍｍ以下である。最適の数値範囲は、０．０６
ｍｍ以上で０．２０ｍｍ以下である。これにより、スリ
ット状噴孔４から噴射された燃料が扁平で扇形の形状と
なり、この液膜がスリット状噴孔４から遠ざかるに従っ
て、その厚みを減少し、周囲空気との接触面積を増大し
て、周囲空気によって液膜が引きちぎられ、急速に微細
な噴霧へと変化する。このようにして得られる噴霧の平
均粒径ｄｓと幅Ｗの関係を図５に示す。図５に明らかな
ように幅Ｗが大きくなると平均粒径ｄｓが大きくなるの
である。これは幅Ｗが大きくなると噴射された燃料液膜
の厚さも厚くなるからである。図５は幾多の実験等から
得られた結果であるが、図５から明らかなように、幅Ｗ
が０．２４ｍｍ以上になると噴霧の平均粒径ｄｓは急激
に大きくなる。そして、噴霧の平均粒径ｄｓがほぼ一様
な値に保たれる幅Ｗは０．０６ｍｍ以上で、０．２０ｍ
ｍ以下である。
【００１６】また、本噴射弁は噴霧角が大きいので、従
来のホールノズルに対して噴霧長さを短くできる利点が
ある。火花点火機関はシリンダ径の小さいものが多いの
で、ノズルから壁までの距離が短い。壁面を燃料でぬら
さないために、噴霧長さは適度に短い方がよい。噴霧は
運動量をほぼ保って成長する。本発明の第１の実施の形
態のノズルは、幅Ｗを決めれば、単位噴霧角当たりの運
動量は決まるので、噴霧角を変えても噴霧長さは変化し
ないが、流量当たりの噴霧長さは噴霧角を大きくとるこ
とで、噴霧長さは小さくなる。エンジンでは噴射期間に
制限があるため流量当たりの噴霧長さが重要である。図
６は、噴霧長さを同一流量を持つホールノズルと比較し
たものである。噴霧角を大きくするほど噴霧長さは短く
なり、例えば、噴霧角を９０度にすると、その噴霧長さ
は従来の単孔ホールノズルの半分以下である。５孔ホー
ルノズルと比較しても７０％である。ここでは、一つの
扇形噴霧と比較したが、スリットを複数開ければ、さら
に短くできる。
来のホールノズルに対して噴霧長さを短くできる利点が
ある。火花点火機関はシリンダ径の小さいものが多いの
で、ノズルから壁までの距離が短い。壁面を燃料でぬら
さないために、噴霧長さは適度に短い方がよい。噴霧は
運動量をほぼ保って成長する。本発明の第１の実施の形
態のノズルは、幅Ｗを決めれば、単位噴霧角当たりの運
動量は決まるので、噴霧角を変えても噴霧長さは変化し
ないが、流量当たりの噴霧長さは噴霧角を大きくとるこ
とで、噴霧長さは小さくなる。エンジンでは噴射期間に
制限があるため流量当たりの噴霧長さが重要である。図
６は、噴霧長さを同一流量を持つホールノズルと比較し
たものである。噴霧角を大きくするほど噴霧長さは短く
なり、例えば、噴霧角を９０度にすると、その噴霧長さ
は従来の単孔ホールノズルの半分以下である。５孔ホー
ルノズルと比較しても７０％である。ここでは、一つの
扇形噴霧と比較したが、スリットを複数開ければ、さら
に短くできる。
【００１７】本発明の第１の実施の形態においては、か
かる燃料噴射弁を図７、図８に示す内燃機関に配設す
る。内燃機関は吸気ポート２７、吸気弁２８、点火プラ
グ３０および図示しない排気ポート、排気弁を備えたシ
リンダヘッド２５、シリンダ２４とシリンダ２４に対し
て往復動可能に挿入されたピストン２１で構成されてい
る。ピストン２１には側面にピストンリング２９が複数
設けられていて燃焼室３１からのガスの吹き抜けを防止
している。燃料噴射弁２３はシリンダヘッド２５の吸気
弁２８側にノズル先端２３ａが略シリンダ中心軸に向か
うよう傾斜して取り付けられている。本第１の実施の形
態は、吸気２弁であり、燃料噴射弁２３は吸気弁２８の
間にある。そして、噴霧流をシリンダ２４の中心軸を含
む面内においては扁平に、シリンダ２４の中心軸にほぼ
直角な面内においては扇形に拡開するように噴出せしめ
るが、噴霧中心が直接点火プラグ３０に当たらぬよう、
やや下方に噴出する。噴射方向はエンジンによって異な
るが、概ねシリンダ下方２０度から６０度の範囲であ
る。
かる燃料噴射弁を図７、図８に示す内燃機関に配設す
る。内燃機関は吸気ポート２７、吸気弁２８、点火プラ
グ３０および図示しない排気ポート、排気弁を備えたシ
リンダヘッド２５、シリンダ２４とシリンダ２４に対し
て往復動可能に挿入されたピストン２１で構成されてい
る。ピストン２１には側面にピストンリング２９が複数
設けられていて燃焼室３１からのガスの吹き抜けを防止
している。燃料噴射弁２３はシリンダヘッド２５の吸気
弁２８側にノズル先端２３ａが略シリンダ中心軸に向か
うよう傾斜して取り付けられている。本第１の実施の形
態は、吸気２弁であり、燃料噴射弁２３は吸気弁２８の
間にある。そして、噴霧流をシリンダ２４の中心軸を含
む面内においては扁平に、シリンダ２４の中心軸にほぼ
直角な面内においては扇形に拡開するように噴出せしめ
るが、噴霧中心が直接点火プラグ３０に当たらぬよう、
やや下方に噴出する。噴射方向はエンジンによって異な
るが、概ねシリンダ下方２０度から６０度の範囲であ
る。
【００１８】ピストン２１の頂面２１ａにはノズル先端
２３ａと点火プラグ３０をほぼ両端としたキャビティ２
２を燃焼室３１に開口せしめて形成する。キャビティ２
２は圧縮上死点で点火プラグ３０のギャップ３０ａが概
略シリンダヘッド２５とキャビティ２２底面の略中心に
なる深さとしてある。また、キャビティ２２の幅は、噴
霧先端がシリンダ中心に達したとき、シリンダ中心軸に
垂直な平面を投影した噴霧の幅以上の大きさがある。す
なわち、このときの燃焼室内空間にある噴霧はピストン
２１の上昇によってキャビティ２２内に収まる。また、
キャビティ２２壁面のうち、少なくとも点火プラグ３０
側はキャビティ２２に対して凹の曲率を持っている。そ
して、その曲率Ｒは（曲率半径Ｒ）≦（ノズル先端から
キャビティ壁面までの距離Ｌ）としてある。
２３ａと点火プラグ３０をほぼ両端としたキャビティ２
２を燃焼室３１に開口せしめて形成する。キャビティ２
２は圧縮上死点で点火プラグ３０のギャップ３０ａが概
略シリンダヘッド２５とキャビティ２２底面の略中心に
なる深さとしてある。また、キャビティ２２の幅は、噴
霧先端がシリンダ中心に達したとき、シリンダ中心軸に
垂直な平面を投影した噴霧の幅以上の大きさがある。す
なわち、このときの燃焼室内空間にある噴霧はピストン
２１の上昇によってキャビティ２２内に収まる。また、
キャビティ２２壁面のうち、少なくとも点火プラグ３０
側はキャビティ２２に対して凹の曲率を持っている。そ
して、その曲率Ｒは（曲率半径Ｒ）≦（ノズル先端から
キャビティ壁面までの距離Ｌ）としてある。
【００１９】ピストン２１が吸気を完了した下死点位置
から上死点に向かう圧縮行程で燃焼室３１内の空気は圧
縮される。この圧縮過程において噴射弁２３の噴孔から
燃料を噴出せしめると、噴霧粒群は図示のように、シリ
ンダ中心軸とノズル２３ａを含む平面に投影したときに
は扁平に、シリンダ中心軸に垂直な平面に投影したとき
には扇状に、かつ点火プラグ３０に対して略対称に飛散
する。燃料は噴孔を出た後、急速に広がるので、シリン
ダ２４の壁に高速で噴霧粒が衝突したり、キャビティ２
２の壁面を多量の液状噴霧で濡らすことはない。また、
扁平な形状のため、周囲の高温空気と素早く混合するの
で、蒸発のために顕熱、潜熱をとられても噴霧内の混合
気温度はさほど下がらない。噴霧はキャビティ２２の壁
面によってキャビティ２２の上方、内側に向かって巻き
上がる流れとなる。これとピストン２１の上昇が相まっ
て圧縮上死点前には可燃混合気が点火プラグ３０にでき
る。点火プラグ３０により点火された火炎は火炎伝播に
より燃焼する。
から上死点に向かう圧縮行程で燃焼室３１内の空気は圧
縮される。この圧縮過程において噴射弁２３の噴孔から
燃料を噴出せしめると、噴霧粒群は図示のように、シリ
ンダ中心軸とノズル２３ａを含む平面に投影したときに
は扁平に、シリンダ中心軸に垂直な平面に投影したとき
には扇状に、かつ点火プラグ３０に対して略対称に飛散
する。燃料は噴孔を出た後、急速に広がるので、シリン
ダ２４の壁に高速で噴霧粒が衝突したり、キャビティ２
２の壁面を多量の液状噴霧で濡らすことはない。また、
扁平な形状のため、周囲の高温空気と素早く混合するの
で、蒸発のために顕熱、潜熱をとられても噴霧内の混合
気温度はさほど下がらない。噴霧はキャビティ２２の壁
面によってキャビティ２２の上方、内側に向かって巻き
上がる流れとなる。これとピストン２１の上昇が相まっ
て圧縮上死点前には可燃混合気が点火プラグ３０にでき
る。点火プラグ３０により点火された火炎は火炎伝播に
より燃焼する。
【００２０】このとき、キャビティ２２とピストン頂面
２１ａによるスキッシュ流により、混合気はキャビティ
２２内に収まり、燃焼室外への飛散が避けられるので、
点火プラグ３０によって形成した火炎はキャビティ２２
内に発達する。したがって失火や消炎の心配がない。さ
らに、本発明の第１の実施の形態における噴霧は、扇状
の噴霧であるから、濃度むらが小さく、火炎伝播が途切
れることがないことも失火や消炎に対して有利である。
負荷の変化に対しては、噴射量の少ない低負荷の時は、
噴射時期を遅くし、燃料が拡散しないうちに点火する、
一方、噴射量の多い高負荷の時は、噴射時期を早くし、
過濃な混合気が点火プラグ３０に集まりすぎることを避
けるのが良い。
２１ａによるスキッシュ流により、混合気はキャビティ
２２内に収まり、燃焼室外への飛散が避けられるので、
点火プラグ３０によって形成した火炎はキャビティ２２
内に発達する。したがって失火や消炎の心配がない。さ
らに、本発明の第１の実施の形態における噴霧は、扇状
の噴霧であるから、濃度むらが小さく、火炎伝播が途切
れることがないことも失火や消炎に対して有利である。
負荷の変化に対しては、噴射量の少ない低負荷の時は、
噴射時期を遅くし、燃料が拡散しないうちに点火する、
一方、噴射量の多い高負荷の時は、噴射時期を早くし、
過濃な混合気が点火プラグ３０に集まりすぎることを避
けるのが良い。
【００２１】第１の実施の形態の内燃機関では、噴射時
期を遅らせたとき、図９、図１０に示すように、噴霧は
比較的早くキャビティ２２に衝突するが、噴霧が扁平
で、かつキャビティ２２の底面に対しては扇状の形をし
ているため、ピストン２１、および空気から有効に熱を
もらい、すばやく気化混合できる。したがって、噴射か
ら点火までの時間を短くした燃焼が可能である。さら
に、キャビティの曲率Ｒを（曲率半径Ｒ）≦（ノズル先
端からキャビティ壁面までの距離Ｌ）としておくと、こ
の曲率に沿って点火プラグ３０に燃料が集まるため、よ
り少ない燃料で運転が可能である。一方、噴射時期を早
めたとき、本第１の実施の形態の噴霧は噴霧長さが短い
ために、キャビティに衝突するまでの時間が長くなる
が、噴霧は扇状に分散し、かつ扁平なため周囲の空気か
ら有効に熱をもらい、気化混合が遅れることはない。そ
して、図１１に示すように、初期に噴射された燃料はキ
ャビティ２２に衝突後、空中で拡散するので、点火プラ
グ３０に過濃な混合気が集まることなく、安定な点火が
可能となる。
期を遅らせたとき、図９、図１０に示すように、噴霧は
比較的早くキャビティ２２に衝突するが、噴霧が扁平
で、かつキャビティ２２の底面に対しては扇状の形をし
ているため、ピストン２１、および空気から有効に熱を
もらい、すばやく気化混合できる。したがって、噴射か
ら点火までの時間を短くした燃焼が可能である。さら
に、キャビティの曲率Ｒを（曲率半径Ｒ）≦（ノズル先
端からキャビティ壁面までの距離Ｌ）としておくと、こ
の曲率に沿って点火プラグ３０に燃料が集まるため、よ
り少ない燃料で運転が可能である。一方、噴射時期を早
めたとき、本第１の実施の形態の噴霧は噴霧長さが短い
ために、キャビティに衝突するまでの時間が長くなる
が、噴霧は扇状に分散し、かつ扁平なため周囲の空気か
ら有効に熱をもらい、気化混合が遅れることはない。そ
して、図１１に示すように、初期に噴射された燃料はキ
ャビティ２２に衝突後、空中で拡散するので、点火プラ
グ３０に過濃な混合気が集まることなく、安定な点火が
可能となる。
【００２２】また、さらに負荷が上がって、全負荷に近
いときには圧縮行程に限らず、吸気行程に燃料を噴射す
ることも可能である。このとき噴霧は噴霧長さの短い、
低貫徹力の噴霧であるから、ピストン２１が下がっても
シリンダ２４の壁面を濡らすことはないうえ、吸気流動
に乗ってシリンダ内に分散し、空気利用度が高くなる。
本発明の第１の実施の形態の内燃機関は、このように負
荷の大小に関わらず、点火プラグ３０には安定した可燃
混合気が形成されることになり、負荷変動の大きい例え
ば、自動車用内燃機関としては優れた性能を供する。
いときには圧縮行程に限らず、吸気行程に燃料を噴射す
ることも可能である。このとき噴霧は噴霧長さの短い、
低貫徹力の噴霧であるから、ピストン２１が下がっても
シリンダ２４の壁面を濡らすことはないうえ、吸気流動
に乗ってシリンダ内に分散し、空気利用度が高くなる。
本発明の第１の実施の形態の内燃機関は、このように負
荷の大小に関わらず、点火プラグ３０には安定した可燃
混合気が形成されることになり、負荷変動の大きい例え
ば、自動車用内燃機関としては優れた性能を供する。
【００２３】
【第２の実施の形態】本発明の第２の実施の形態例は、
図１２のように、キャビティ２２の縦壁面をＲ形状と
し、ピストン頂面２１ａがキャビティ２２の内壁より飛
び出すリップ形状を有するようにしたものである。その
他の燃料噴射弁２３、噴霧形状、ピストン２１などは第
１の実施例と同様である。
図１２のように、キャビティ２２の縦壁面をＲ形状と
し、ピストン頂面２１ａがキャビティ２２の内壁より飛
び出すリップ形状を有するようにしたものである。その
他の燃料噴射弁２３、噴霧形状、ピストン２１などは第
１の実施例と同様である。
【００２４】上記構成からなる本発明の第２の実施の形
態例は、第１の実施の形態例と同様、噴霧がキャビティ
２２の壁面に衝突後、上方へ方向を変えるが、キャビテ
ィ２２の壁面はＲ形状（曲率半径ｒ1 ）をしているた
め、燃料はキャビティ２２の内側に向かって巻き上がる
流れとなる。このため、燃料はキャビティ２２外側に流
出することがより少なくなり、点火後火炎がキャビティ
２２外側に出て冷やされ消炎することが少ない。また、
スキッシュ流と複合して強い乱れをつくるため燃焼期間
が短縮されるなどの利点を有する。
態例は、第１の実施の形態例と同様、噴霧がキャビティ
２２の壁面に衝突後、上方へ方向を変えるが、キャビテ
ィ２２の壁面はＲ形状（曲率半径ｒ1 ）をしているた
め、燃料はキャビティ２２の内側に向かって巻き上がる
流れとなる。このため、燃料はキャビティ２２外側に流
出することがより少なくなり、点火後火炎がキャビティ
２２外側に出て冷やされ消炎することが少ない。また、
スキッシュ流と複合して強い乱れをつくるため燃焼期間
が短縮されるなどの利点を有する。
【００２５】
【第３の実施の形態】本発明の第３の実施の形態例は、
キャビティ２２を２段とし、図１３、図１４に示すよう
に浅いキャビティ２２ｂの内側にさらにキャビティ２２
ａを形成したものである。その他の燃料噴射弁２３、噴
霧形状、ピストン２１などは第１の実施の形態例と同様
である。
キャビティ２２を２段とし、図１３、図１４に示すよう
に浅いキャビティ２２ｂの内側にさらにキャビティ２２
ａを形成したものである。その他の燃料噴射弁２３、噴
霧形状、ピストン２１などは第１の実施の形態例と同様
である。
【００２６】本発明の第３の実施の形態例のキャビティ
２２を用いれば、低負荷時にはより燃料を点火プラグ３
０に集め、高負荷時にはより燃料を拡散させて燃焼させ
ることができる。すなわち、図１５、図１６に示すよう
に小噴射量時に噴射時期を遅らせると、噴射した燃料は
内側のキャビティ２２ｂに入り、その内壁面を通って上
方に曲げられ点火プラグ３０にいたる。そのため、燃料
が過度に分散することなく、点火プラグ３０に集中し、
非常に少ない燃料でも点火、燃焼が可能となる。一方、
高負荷時には噴射時期を早める。このため、燃料は図１
７、図１８に示すように、外側の大きいキャビティ２２
ｂと内側のキャビティ２２ａに分けられる。外側のキャ
ビティ２２ｂは第１の実施例のように上方内側に曲げら
れて点火プラグ３０にいたるが、内側のキャビティ２２
ａの燃料は下側に曲げられ、点火プラグ３０にいたるこ
となく、キャビティ２２内に分散する。これによって点
火プラグ３０には負荷の大小に関わらず、安定した可燃
混合気が形成されることになり、負荷変動の大きい例え
ば自動車用内燃機関としては優れた性能を供する。
２２を用いれば、低負荷時にはより燃料を点火プラグ３
０に集め、高負荷時にはより燃料を拡散させて燃焼させ
ることができる。すなわち、図１５、図１６に示すよう
に小噴射量時に噴射時期を遅らせると、噴射した燃料は
内側のキャビティ２２ｂに入り、その内壁面を通って上
方に曲げられ点火プラグ３０にいたる。そのため、燃料
が過度に分散することなく、点火プラグ３０に集中し、
非常に少ない燃料でも点火、燃焼が可能となる。一方、
高負荷時には噴射時期を早める。このため、燃料は図１
７、図１８に示すように、外側の大きいキャビティ２２
ｂと内側のキャビティ２２ａに分けられる。外側のキャ
ビティ２２ｂは第１の実施例のように上方内側に曲げら
れて点火プラグ３０にいたるが、内側のキャビティ２２
ａの燃料は下側に曲げられ、点火プラグ３０にいたるこ
となく、キャビティ２２内に分散する。これによって点
火プラグ３０には負荷の大小に関わらず、安定した可燃
混合気が形成されることになり、負荷変動の大きい例え
ば自動車用内燃機関としては優れた性能を供する。
【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料噴射弁
を示す縦断面図
を示す縦断面図
【図２】本発明の第１の実施の形態における燃料噴射弁
を示す縦断面図
を示す縦断面図
【図３】本発明の第１の実施の形態における燃料噴射弁
の噴霧状態を示す縦断面図
の噴霧状態を示す縦断面図
【図４】本発明の第１の実施の形態における燃料噴射弁
の噴霧状態を示す縦断面図
の噴霧状態を示す縦断面図
【図５】第１の実施の形態における燃料噴射弁の噴霧の
平均粒径と幅の関係を示す線図
平均粒径と幅の関係を示す線図
【図６】第１の実施の形態における燃料噴射弁の噴霧角
と噴霧長さの比の関係を示す線図
と噴霧長さの比の関係を示す線図
【図７】第１の実施の形態における内燃機関を示す平面
図
図
【図８】第１の実施の形態における内燃機関を示す縦断
面図
面図
【図９】第１の実施の形態における内燃機関の噴霧状態
を示す平面図
を示す平面図
【図１０】第１の実施の形態における内燃機関の噴霧状
態を示す縦断面図
態を示す縦断面図
【図１１】第１の実施の形態における内燃機関の噴霧状
態を示す縦断面図
態を示す縦断面図
【図１２】第２の実施の形態における内燃機関を示す部
分断面図
分断面図
【図１３】第３の実施の形態における内燃機関を示す平
面図
面図
【図１４】第３の実施の形態における内燃機関を示す縦
断面図
断面図
【図１５】第３の実施の形態における内燃機関の噴霧状
態を示す平面図
態を示す平面図
【図１６】第３の実施の形態における内燃機関の噴霧状
態を示す縦断面図
態を示す縦断面図
【図１７】第３の実施の形態における内燃機関の噴霧状
態を示す平面図
態を示す平面図
【図１８】第３の実施の形態における内燃機関の噴霧状
態を示す縦断面図
態を示す縦断面図
１ 針弁 ２ 弁体 ３ サック部 ４ 噴孔 ５ コイルバネ ６ 弁孔 ７ 先端部 ８ 弁座部 ９ 内端 １０ 外端 ２２、２２ａ キャビティ ２３ 燃料噴射弁 ２１ ピストン ２４ シリンダ ３１ 燃焼室 ３０ 点火プラグ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｍ 61/18 ３６０ Ｆ０２Ｍ 61/18 ３６０Ｊ (56)参考文献 特開 平３−78562（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−144762（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−13215（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−1544（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−122123（ＪＰ，Ｕ) 実開 平３−27829（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−173416（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02B 23/10 F02B 17/00 F02M 61/18 F02M 61/14
Claims (1)
- 【請求項１】 シリンダヘッド内壁面の中央部に点火プ
ラグを配置すると共にシリンダヘッド内壁面の周縁部に
燃料噴射弁を配置し、ピストン頂面上に燃料噴射弁の下
方から点火プラグの下方まで延びるキャビティを形成し
た内燃機関の火花点火式燃焼方法において、点火プラグ
側のキャビティの端部においてキャビティの底面から上
方に延びかつ燃料噴射弁とシリンダ中心軸とを含む平面
に対して横方向に円弧状に延びる壁面をキャビティに形
成し、シリンダの中心軸に対し傾斜して配設された燃料
噴射弁の噴口から、噴口とシリンダ中心軸を含む平面に
投影したときは扁平に、噴口とシリンダ中心軸を含む平
面に垂直で、噴口と、噴霧とシリンダ中心軸の交点を含
む平面に投影したときには略扇状の燃料噴霧をその全体
がキャビティの底面に向かうように噴射して燃料噴霧を
キャビティ内に分散させ、次いでキャビティ内に分散し
た燃料噴霧を上記キャビティ壁面によりキャビティの上
方、内側に向けて巻き上げることにより点火プラグの周
りに集め、次いで点火プラグ周りに集められた燃料噴霧
を点火プラグにより着火するようにした火花点火式燃焼
方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34527995A JP3301013B2 (ja) | 1995-12-06 | 1995-12-06 | 火花点火式燃焼方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34527995A JP3301013B2 (ja) | 1995-12-06 | 1995-12-06 | 火花点火式燃焼方法 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31503798A Division JP3330336B2 (ja) | 1995-12-06 | 1998-11-05 | 火花点火式内燃機関 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09158736A JPH09158736A (ja) | 1997-06-17 |
| JP3301013B2 true JP3301013B2 (ja) | 2002-07-15 |
Family
ID=18375521
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP34527995A Expired - Lifetime JP3301013B2 (ja) | 1995-12-06 | 1995-12-06 | 火花点火式燃焼方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3301013B2 (ja) |
Families Citing this family (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US6035823A (en) * | 1998-06-15 | 2000-03-14 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Spark-ignition type engine |
| JP3548688B2 (ja) | 1998-07-08 | 2004-07-28 | トヨタ自動車株式会社 | 筒内噴射式火花点火内燃機関 |
| JP3353709B2 (ja) | 1998-07-08 | 2002-12-03 | トヨタ自動車株式会社 | 筒内噴射式火花点火内燃機関 |
| JP3903657B2 (ja) * | 1998-12-02 | 2007-04-11 | トヨタ自動車株式会社 | 筒内噴射式火花点火内燃機関 |
| JP3611471B2 (ja) * | 1999-01-28 | 2005-01-19 | 株式会社日立製作所 | 筒内噴射式内燃機関 |
| JP3389873B2 (ja) | 1999-02-05 | 2003-03-24 | トヨタ自動車株式会社 | 筒内噴射式火花点火内燃機関 |
| JP3362690B2 (ja) * | 1999-03-02 | 2003-01-07 | トヨタ自動車株式会社 | 筒内噴射式火花点火内燃機関 |
| JP3401206B2 (ja) | 1999-03-16 | 2003-04-28 | トヨタ自動車株式会社 | 筒内噴射式火花点火内燃機関 |
| JP3405261B2 (ja) | 1999-03-30 | 2003-05-12 | トヨタ自動車株式会社 | 筒内噴射式火花点火内燃機関 |
| JP3537347B2 (ja) | 1999-04-02 | 2004-06-14 | トヨタ自動車株式会社 | 筒内噴射式火花点火内燃機関 |
| JP3370947B2 (ja) | 1999-04-09 | 2003-01-27 | トヨタ自動車株式会社 | 筒内噴射式火花点火内燃機関 |
| US6832594B2 (en) | 2002-01-09 | 2004-12-21 | Nissan Motor Co., Ltd. | Direct fuel injection engine |
| JP3997781B2 (ja) | 2002-01-09 | 2007-10-24 | 日産自動車株式会社 | 筒内直噴エンジン |
| JP2015218614A (ja) | 2014-05-15 | 2015-12-07 | トヨタ自動車株式会社 | 内燃機関の燃料噴射制御装置 |
| JP6398700B2 (ja) * | 2014-12-24 | 2018-10-03 | 三菱自動車工業株式会社 | 筒内噴射式エンジン |
-
1995
- 1995-12-06 JP JP34527995A patent/JP3301013B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09158736A (ja) | 1997-06-17 |
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