JP3644228B2 - 筒内噴射式火花点火機関 - Google Patents

筒内噴射式火花点火機関 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は筒内噴射式火花点火機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内噴射式火花点火機関の中には、例えば特開平８−３５４２９号公報に示されているように、燃焼室内の吸気の旋回流として水平方向のスワールを付与するようにしたものや、特開平６−８１６５１号公報に示されているように旋回流が吸気弁の略下方からピストン冠面側に向かい、該ピストン冠面で反転して燃焼室中央部の点火プラグに向かう縦方向の流れとなる逆タンブル流を付与するようにしたもの等が知られている。
【０００３】
これらは何れもピストン冠面にキャビティ燃焼室を形成し、圧縮行程で該キャビティ燃焼室により前記スワール，逆タンブル流を保たせた状態で燃料噴射を行うことにより燃料を点火プラグまで輸送し、点火プラグ周りにのみ比較的濃い混合気を形成させて成層燃焼を行わせるが、この成層燃焼を良好に行わせるためには圧縮行程で噴射された燃料を点火プラグまで輸送される間に燃焼室内に広く拡散させないことが肝要となる。
【０００４】
このため、従来では前述のピストン冠面のキャビティ燃焼室を、該ピストン冠面の吸気弁配置側の略半部にオフセットさせて、極力大きくかつ深く形成する一方、燃料噴射弁からの燃料の噴霧円錘角を約６０°に狭めて燃料噴射を行わせるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のようにキャビティ燃焼室を極力大きくかつ深く形成してあるため、燃焼室表面積が増大して熱損失が大きくなってしまうことは否めず、しかも、該キャビティ燃焼室がピストン冠面の一側に偏在しているためピストンバランスが悪く、特にエンジン冷機時にはシリンダとピストンとの熱膨張率の差が大きいためピストンの首振り現象が生じる傾向となって、異音発生や偏摩耗を生起し易くなってしまう。
【０００６】
また、前述のように安定した成層燃焼を行わせるべく燃料噴射弁の噴霧円錘角を狭めてあるため、吸気行程噴射を行う均質燃焼時には噴射燃料がキャビティ燃焼室に衝突し、該キャビティ燃焼室に燃料が液膜状に付着して出力不足を来してしまうのみならず、スモークや未燃ＨＣの発生要因となったり、付着した燃料がデポジットとして堆積してしまう可能性がある。
【０００７】
そこで、本発明は成層燃焼，均質燃焼の何れも安定した燃焼を行わせて低負荷運転時および高負荷運転時の出力を高めることができると共に、耐久性を向上することもできる筒内噴射式火花点火機関を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明にあっては、燃焼室の中央部分に配置した点火プラグと、吸気弁近傍の燃焼室側部から該燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、ピストン冠面にキャビティ燃焼室とを備え、吸気に縦方向の旋回流を付与した状態で少くとも圧縮行程中に燃料噴射を行うことにより成層燃焼を行うようにした筒内噴射式火花点火機関において、前記キャビティ燃焼室を、ピストン冠面の中央部に最深部を持ち、かつ、凹部底面が前記吸気の縦方向の旋回流の流れ方向に円弧となり、さらに、前記タンブル流の集束及び整流作用を奏する一対の側壁を有する形状に形成するとともに、前記キャビティ燃焼室の吸気側の縁の幅を前記縁の真上の燃料噴射幅より大きくし、前記吸気の縦方向の旋回流としてタンブル流を付与し、圧縮行程中に前記燃料噴射弁から噴射された燃料に前記タンブル流を前記ピストン側から衝突させ、燃料を前記タンブル流に乗せて前記点火プラグへ輸送することを特徴としている。
【０００９】
請求項２の発明にあっては、請求項１に記載のキャビティ燃焼室を前記吸気側の縁が直線となる形状に形成したことを特徴としている。
【００１０】
請求項３の発明にあっては、請求項１または２に記載の発明において、前記一対の側壁を前記タンブル流と平行に形成したことを特徴としている。
【００１１】
請求項４の発明にあっては、請求項１に記載のキャビティ燃焼室開口部を平面方形でシリンダ軸方向の断面が円弧状となる凹部に形成したことを特徴としている。
【００１２】
請求項５の発明にあっては、請求項４に記載のキャビティ燃焼室開口部の平面方形の各側辺をシリンダボア直径の４０〜８０％に設定すると共に、凹部底面の曲率半径をシリンダボア直径の２０〜６５％に設定したことを特徴としている。
【００１３】
請求項６の発明にあっては、請求項１〜５の記載において、吸気系にタンブル強化手段を設けたことを特徴としている。
【００１４】
請求項７の発明にあっては、請求項６に記載のタンブル強化手段が、成層燃焼時に吸気路の略下半部を遮蔽し、均質燃焼時に吸気路を開放する部分遮蔽弁であることを特徴としている。
【００１５】
請求項８の発明にあっては、請求項６に記載のタンブル強化手段が、吸気弁傘部の略下半部背面に設けた立壁であることを特徴としている。
【００１６】
請求項９の発明にあっては、請求項１〜８に記載の燃料噴射弁は、大気中における噴霧円錘角が７０°〜９０°の広角噴射ノズルを備えていることを特徴としている。
請求項１０の発明にあっては、シリンダブロックとシリンダヘッドとピストンとで形成される燃焼室と、前記燃焼室の中央部分に配設される点火プラグと、前記燃焼室に開口する２つの吸気ポートと、前記燃焼室の側部でかつ前記２つの吸気ポートの開口部間に配設され、前記燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、成層燃焼時に前記２つの吸気ポートの略下半部を遮蔽することにより前記燃焼室内にタンブル流を発生させる部分遮蔽弁と、前記ピストンの冠面に形成され、前記タンブル流の集束及び整流作用を奏する一対の側壁を有し、前記タンブル流の保存性を高めるキャビティ燃焼室と、を備え、前記キャビティ燃焼室の吸気側の縁の幅を前記縁の真上の燃料噴射幅より大きくし、成層燃焼時の圧縮行程中に前記燃料噴射弁から噴射された燃料に前記タンブル流を前記ピストン側から衝突させ、燃料を前記タンブル流に乗せて前記点火プラグへ輸送することを特徴としている。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、ピストン冠面のキャビティ燃焼室は、該ピストン冠面の中央部に最深部を持って凹部底面が吸気の縦方向の旋回流の流れ方向に円弧となる形状に形成してあるため、該吸気の縦方向の旋回流の保存性が良好となり、圧縮行程で噴射された燃料をこの縦方向旋回流に乗せて点火プラグ側へ層状に確実に輸送して成層燃焼を行わせることができる。
【００１８】
この結果、キャビティ燃焼室を可及的に小さくすることができ、燃焼室表面積を小さくして熱損失を低減できることにより、成層燃焼時はもとより均質燃焼時の出力を高めることができる。
【００１９】
また、キャビティ燃焼室はピストン冠面の中央部に形成してあるから、ピストンバランスが良好となって異音発生や偏摩耗を回避できて耐久性を向上することができる。
【００２０】
更に、キャビティ燃焼室は前述のようにピストン冠面の中央部に存在し、その凹部底面は吸気の縦方向旋回流の流れ方向に円弧として、該縦方向旋回流の保存性を高められるため、燃料噴射弁から噴射されてキャビティ燃焼室に飛散した燃料をこの縦方向旋回流と凹部底面の円弧形状とによって上方へ集めることができると共に、ピストン冠面の燃料膜の剥離を積極的に行わせることができ、従って、成層燃焼時はもとより均質燃焼時にスモーク，未燃ＨＣの発生およびデポジットの堆積を抑制できて燃焼を安定化し、より一層出力を高めることができる。
【００２１】
更に、前記タンブル流の集束及び整流作用を奏する一対の側壁を有する形状に形成するとともに、前記キャビティ燃焼室の吸気側の縁の幅を前記縁の真上の燃料噴射幅より大きくすることで、タンブル流の集束及び整流作用が得られ、タンブル流の保存性がより強まって更に安定した成層燃焼を行わせることができる。
【００２２】
また、請求項２に記載の発明のように、キャビティ燃焼室を、前記吸気側の縁が直線となる形状に形成したり、請求項３の発明のように、前記一対の側壁を前記タンブル流と平行に形成したりすることによって、タンブル流の保存性がより強まって更に安定した成層燃焼を行わせることができる。
【００２３】
請求項４に記載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、キャビティ燃焼室開口部は平面方形でシリンダ軸方向の断面が円弧状の凹部として形成してあるから、該キャビティ燃焼室の縦方向旋回流と平行な一対の側壁によって該縦方向旋回流の集束作用が得られ、縦方向旋回流の保存性が高められてより一層安定した成層燃焼を行わせることができる。
【００２４】
請求項５に記載の発明によれば、請求項４の発明の効果に加えて、キャビティ燃焼室の開口面積および深さを、成層燃焼の安定性および縦方向旋回流の保存性の実験結果から得られた最適値に設定してあるため、更に安定した成層燃焼を行わせることができる。
【００２５】
請求項６に記載の発明によれば、請求項１〜５の発明の効果に加えて、吸気系にはタンブル強化手段を設けてあるため、吸気の縦方向旋回流として強いタンブル流を付与するこができて成層燃焼運転領域を広くすることができる。
【００２６】
請求項７に記載の発明によれば、請求項６の発明の効果に加えて、タンブル強化手段を部分遮蔽弁で構成してあるため、構造が簡単でコスト的に有利に得ることができる。
【００２７】
請求項８に記載の発明によれば、請求項６の発明の効果に加えて、タンブル強化手段を吸気弁の傘部背面の立壁で構成してあるため、吸気弁以外の構造変更を伴うことなくタンブル強化手段を容易に構成でき、コスト的に非常に有利に得ることができる。
【００２８】
請求項９に記載の発明によれば、請求項１〜８の発明の効果に加えて、燃料噴射弁のノズルとして、成層燃焼時に燃料の点火プラグ側への持ち上げ効果が得られて安定燃焼を行え、かつ、均質燃焼時に吸気行程噴射した場合に、ペネトレーションの低減化と混合気の均質化が良好となる最適な噴霧円錘角の広角噴射ノズルを用いているため、成層燃焼の安定性を高められると共に、均質燃焼時のスモーク，未撚ＨＣおよびデポジットの発生を抑制できて高出力を得ることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。
【００３０】
図１〜３において、１はシリンダブロック、２はシリンダヘッド、３はピストン、４はこれらシリンダブロック１，シリンダヘッド２，ピストン３とで形成された燃焼室を示す。
【００３１】
シリンダヘッド２は２つの吸気弁５と、該吸気弁５と対向配置した２つの排気弁６とを備え、一側の吸気ポート７から吸気して他側の排気ポート８から排気するクロスフローポート構造としてある。
【００３２】
吸気ポート７は、燃焼室４内で吸気の縦方向旋回流として図１の矢印ａで示すタンブル流を形成し易いようにしてある。
【００３３】
また、吸気系、例えば本実施形態では吸気ポート７には成層燃焼時にタンブル流を強制的に付与するタンブル強化手段９を配設してある。
【００３４】
このタンブル強化手段９としては、成層燃焼時に吸気ポート７の略下半部を遮蔽し、均質燃焼時に該吸気ポート７を開放する部分遮蔽弁１０を用いている。
【００３５】
シリンダヘッド２には燃焼室４の略中央部に点火プラグ１１を配設してあると共に、吸気弁５近傍の燃焼室側部、具体的には燃焼室４の側部で２つの吸気ポート７，７の開口部間近傍の位置に燃料噴射弁１２を配設して、該燃料噴射弁１２から直接燃焼室４に燃料を噴射するようにしてある。
【００３６】
一方、ピストン２の冠面の中央部にキャビティ燃焼室１３を形成してある。
【００３７】
キャビティ燃焼室１３はピストン３の冠面の中央部に最深部を持ち、かつ、凹部底面が前記吸気のタンブル流ａの流れ方向に円弧となる形状に形成してある。
【００３８】
本実施形態ではこのキャビティ燃焼室１３を球面形凹部として形成してあって、該キャビティ燃焼室１３は後述する理由によりその平面円形の開口部直径を、シリンダボア直径の４０〜８０％に設定してあると共に、凹部底面の曲率半径をシリンダボア直径の２０〜６５％に設定してある。
【００３９】
一方、前記燃料噴射弁１２の噴射ノズル１２ａには、大気中における噴霧円錘角が７０°〜９０°の広角噴射ノズルを用いている。
【００４０】
以上の実施形態の構造によれば、ピストン３の冠面中央部のキャビティ燃焼室１３は、該ピストン冠面の中央部に最深部を持って凹部底面が吸気のタンブル流ａの流れ方向に円弧となる形状に形成してあるため、タンブル流ａに乱れを生じることがなく該タンブル流ａの保存性が良好となる。
【００４１】
従って、成層燃焼時に圧縮行程で燃料噴射弁１２から噴射された燃料Ｆをこのタンブル流ａに乗せて点火プラグ１１側へ層状に確実に輸送できて安定した成層燃焼を行わせることができる。
【００４２】
この結果、キャビティ燃焼室１３を可及的に小さくすることが可能となり、燃焼室４の表面積を小さくして熱損失を低減できることにより、成層燃焼時はもとより均質燃焼時の出力を高めることができる。
【００４３】
また、前述のようにキャビティ燃焼室１３はピストン冠面の中央部に存在し、その凹部底面はタンブル流ａの流れ方向に円弧として形成してあって該タンブル流ａの保存性を高められるため、燃料噴射弁１２から噴射されてキャビティ燃焼室１３に飛散した燃料をこのタンブル流ａと凹部底面の円弧形状とによって上方へ集めることができると共に、ピストン冠面の燃料膜の剥離を積極的に行わせることができ、従って、成層燃焼時はもとより均質燃焼時にスモーク，未燃ＨＣの発生およびデポジットの堆積を抑制できて燃焼を安定化し、より一層出力を高めることができる。
【００４４】
更に、このようにキャビティ燃焼室１３をピストン２の冠面中央部に形成してあるから、ピストンバランスが良好となって異音発生や偏摩耗を回避できて耐久性を向上することができる。
【００４５】
特に、本実施形態にあってはキャビティ燃焼室１３を球面形凹部として形成してあるから、吸気流に含まれるあらゆる方向のタンブル成分の保存性が良好となり、より一層安定した成層燃焼を行わせることができる。
【００４６】
また、吸気ポート７にはタンブル強化手段９を設けてあるため、強いタンブル流ａを付与することができて成層燃焼運転領域を広くすることができる。
【００４７】
しかも、このタンブル強化手段９として、成層燃焼時に吸気ポート７の略下半部を遮蔽し、均質燃焼時に吸気ポート７を開放する部分遮蔽弁１０を用いているため、構造を簡単にすることができてコスト的に有利に得ることができる。
【００４８】
ここで、前記キャビティ燃焼室１３の開口面積および深さは成層燃焼の燃焼性に大きく影響し、本発明者等の実験によれば、図４に示すように球面形凹部のキャビティ燃焼室１３の平面円形の開口部直径をシリンダボア直径の６０％程度とした場合に成層燃焼の安定性が最もよく、３０％付近では開口面積が狭すぎて噴射燃料を受け止めきれずに燃料噴霧が拡散して燃焼が不安定となってしまい、９０％付近では開口面積が広すぎて噴射燃料がキャビティ燃焼室１３内で拡散してこの場合も燃焼が不安定となってしまう。
【００４９】
また、ピストン上死点付近におけるタンブル流強さ（保存性）は、図５に示すようにキャビティ燃焼室１３の凹部底面のタンブル流ａと同方向の曲面の曲率半径をシリンダボア直径の約４０％とした場合に最も保存性が良好となり、２０％未満および７０％以上とした場合には何れもタンブル流の保存性が低下してしまうことが確認されている。
【００５０】
そこで、前述のようにこれらの実験結果に基づいてキャビティ燃焼室１３の平面円形の開口部直径および凹部底面の曲率半径を、成層燃焼の安定性とタンブル流ａの保存性が良好となる最適値に設定してあるため、安定した成層燃焼を行わせて成層燃焼運転時の出力を高めることができる。
【００５１】
一方、燃料噴射弁１２の噴射ノズル１２ａによる大気中における噴霧円錘角を考察すると、図６に示すように噴霧円錘角が７０°よりも小さいと成層燃焼時に燃料の点火プラグ１１側への持ち上げ効果が得られなくなり、また、吸気行程噴射を行う均質燃焼時にペネトレーションによって混合気の均質化の悪化と、ピストン冠面への燃料付着が生じて何れの燃焼時にあっても燃焼の安定性が損われ、この噴霧円錘角が９０°を越えると噴霧角が広すぎて燃料が拡散しすぎたり、点火プラグ１１の燃料被りによるくすぶりが生じて、成層燃焼の安定性が急激に悪化してしまう。
【００５２】
このようなことから、前述のように燃料噴射弁１２の噴射ノズル１２ａには、大気中における噴霧円錘角が最も安定した燃焼性が得られる７０°〜９０°の広角噴射ノズルを用いているため、成層燃焼の安定性をより一層高められると共に、均質燃焼時には混合気の均質化を促進し、かつ、スモーク，未撚ＨＣおよびデポジットの発生を抑制できて高出力を得ることができる。
【００５３】
図７〜９は本発明の第２実施形態を示すもので、本実施形態にあっては、ピストン３の冠面中央部のキャビティ燃焼室１３を、平面方形でシリンダ軸方向の断面が円弧状の所謂蒲鉾形凹部として形成してあり、他の構成については前記第１実施形態と同一の構造としてある。
【００５４】
このように本実施形態ではキャビティ燃焼室１３を蒲鉾形凹部として形成してあるが、前記図４，５に示した特性上の理由から、平面方形の開口部の各側辺は成層燃焼の安定性が良好となる開口面積が得られるように、シリンダボア直径の４０〜８０％に設定してあると共に、凹部底面の曲率半径をタンブル流ａの保存性が良好となるシリンダボア直径の２０〜６５％に設定してある。
【００５５】
従って、この第２実施形態の構造によれば、前記第１実施形態と同様の効果が得られる他、キャビティ燃焼室１３のタンブル流ａと平行な一対の側壁によって該タンブル流ａの集束及び整流作用が得られるから、タンブル流ａの保存性がより強まって更に安定した成層燃焼を行わせることができる。
【００５６】
前記各実施形態ではタンブル強化手段９として、吸気ポート７に部分遮蔽弁１０を配設した例を示したが、この他、図１０に示すように吸気弁５自体にタンブル強化手段９を設けるようにしてもよい。
【００５７】
吸気弁５はそのステム上端がロッカアーム１４と凹凸嵌合して回り止めされているから、該吸気弁５の傘部５ａの略下半部背面に立壁１５を弁周縁に沿って半円形に立設することにより、該吸気弁５の略下半部側からの吸気をせき止めてタンブル流ａを強化することができる。
【００５８】
この場合、吸気弁５以外の構造変更を伴わないのでタンブル強化手段９を容易に構成することができて、コスト的に非常に有利に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す略示的断面図。
【図２】本発明の第１実施形態におけるピストンの平面図。
【図３】本発明の第１実施形態におけるピストンの斜視図。
【図４】キャビティ燃焼室の開口部寸法（開口面積）と燃焼安定性との関係を示すグラフ。
【図５】キャビティ燃焼室の深さと旋回流の保存性との関係を示すグラフ。
【図６】燃料噴霧円錘角と燃焼安定性との関係を示すグラフ。
【図７】本発明の第２実施形態を示す略示的断面図。
【図８】本発明の第２実施形態におけるピストンの平面図。
【図９】本発明の第２実施形態におけるピストンの斜視図。
【図１０】タンブル強化手段の異なる例を示す斜視図。
【符号の説明】
３ ピストン
４ 燃焼室
５ 吸気弁（吸気系）
５ａ 傘部
７ 吸気ポート（吸気系）
９ タンブル強化手段
１０ 部分遮蔽弁
１１ 点火プラグ
１２ 燃料噴射弁
１２ａ 噴射ノズル
１３ キャビティ燃焼室
１５ 立壁

Claims (10)

  1. 燃焼室の中央部分に配置した点火プラグと、吸気弁近傍の燃焼室側部から該燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、ピストン冠面にキャビティ燃焼室とを備え、吸気に縦方向の旋回流を付与した状態で少くとも圧縮行程中に燃料噴射を行うことにより成層燃焼を行うようにした筒内噴射式火花点火機関において、
    前記キャビティ燃焼室を、ピストン冠面の中央部に最深部を持ち、かつ、凹部底面が前記吸気の縦方向の旋回流の流れ方向に円弧となり、さらに、前記タンブル流の集束及び整流作用を奏する一対の側壁を有する形状に形成するとともに、
    前記キャビティ燃焼室の吸気側の縁の幅を前記縁の真上の燃料噴射幅より大きくし、
    前記吸気の縦方向の旋回流としてタンブル流を付与し、圧縮行程中に前記燃料噴射弁から噴射された燃料に前記タンブル流を前記ピストン側から衝突させ、燃料を前記タンブル流に乗せて前記点火プラグへ輸送することを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。
  2. キャビティ燃焼室を、前記吸気側の縁が直線となる形状に形成した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機関。
  3. 前記一対の側壁を前記タンブル流と平行に形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の筒内噴射式火花点火機関。
  4. キャビティ燃焼室開口部を平面方形でシリンダ軸方向の断面が円弧状となる凹部に形成した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機関。
  5. キャビティ燃焼室開口部の平面方形の各側辺をシリンダボア直径の４０〜８０％に設定すると共に、凹部底面の曲率半径をシリンダボア直径の２０〜６５％に設定したことを特徴とする請求項４に記載の筒内噴射式火花点火機関。
  6. 吸気系にタンブル強化手段を設けたことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の筒内噴射式火花点火機関。
  7. タンブル強化手段が、成層燃焼時に吸気路の略下半部を遮蔽し、均質燃焼時に吸気路を開放する部分遮蔽弁であることを特徴とする請求項６に記載の筒内噴射式火花点火機関。
  8. タンブル強化手段が、吸気弁傘部の略下半部背面に設けた立壁であることを特徴とする請求項６に記載の筒内噴射式火花点火機関。
  9. 燃料噴射弁は、大気中における噴霧円錘角が７０°〜９０°の広角噴射ノズルを備えていることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の筒内噴射式火花点火機関。
  10. シリンダブロックとシリンダヘッドとピストンとで形成される燃焼室と、
    前記燃焼室の中央部分に配設される点火プラグと、
    前記燃焼室に開口する２つの吸気ポートと、
    前記燃焼室の側部でかつ前記２つの吸気ポートの開口部間に配設され、前記燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、
    成層燃焼時に前記２つの吸気ポートの略下半部を遮蔽することにより前記燃焼室内にタンブル流を発生させる部分遮蔽弁と、
    前記ピストンの冠面に形成され、前記タンブル流の集束及び整流作用を奏する一対の側壁を有し、前記タンブル流の保存性を高めるキャビティ燃焼室と、
    を備え、
    前記キャビティ燃焼室の吸気側の縁の幅を前記縁の真上の燃料噴射幅より大きくし、
    成層燃焼時の圧縮行程中に前記燃料噴射弁から噴射された燃料に前記タンブル流を前記ピストン側から衝突させ、燃料を前記タンブル流に乗せて前記点火プラグへ輸送する
    ことを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。
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