JP3743895B2

JP3743895B2 - 筒内噴射式エンジン

Info

Publication number: JP3743895B2
Application number: JP29093496A
Authority: JP
Inventors: 敏雄山地; 敬二実吉; 弘二森川
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 1996-10-31
Filing date: 1996-10-31
Publication date: 2006-02-08
Anticipated expiration: 2016-10-31
Also published as: JPH10131757A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料をシリンダ内に直接噴射する筒内噴射式エンジンの燃焼室に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、エンジンの燃費を向上させる手法として、理論熱効率の向上、ポンピングロスの低減、フリクションの低減などが提唱されている。そのうち理論熱効率の向上やポンピングロスの低減を図るために、燃焼室内の圧縮比または膨脹比を上昇させる方法の他に、希薄燃焼制御や高ＥＧＲ（exhaust gas recirculation ）燃焼制御等を行う方法がある。これら希薄燃焼制御や高ＥＧＲ制御においては、シリンダ内にタンブル、スワール、スキッシュなどのガス流動を発生させて、燃焼室内における混合気の燃焼性の向上を図っている。
【０００３】
そして、このようなエンジンは、吸気行程において燃焼室内に均一な混合気を形成することを基本としていたが、一方では燃料の噴射方向や時期を調整することにより混合気の空燃比を局所的に変えることも意図的に行われていた。すなわち、局所的に空燃比をリッチにし、あるいは局所的な部分にだけ混合気を形成する等により、燃焼室内全体ではトータルとしてリーンな空燃比で燃焼させる成層燃焼方式などが提案されていた。
【０００４】
しかしながら、従来の成層燃焼方式では、このような燃焼室内における局所的な混合気の形成は十分なものではなく、混合気形成の自由度の大幅な向上が望まれていた。そこで、その対策としてシリンダ内に燃料を直接噴射する筒内噴射式エンジンが種々提案されている。
【０００５】
例えば、特開平５−１５４４号公報には、吸気バルブ周りの一部に吸気ポートを通過する吸入空気の流れを方向づけるマスク壁を設け、シリンダ内において強制的に逆タンブル流を発生させ、圧縮行程時に吸気ポートの下側に設けられた噴射手段からシリンダ軸方向に対して斜めに噴射される燃料を逆タンブル流に乗せ、混合気を燃焼室頭頂部に設けられた点火プラグの方向に導くようにした構成例が示されている。
【０００６】
また、特開平６−１４６８８６号公報には、噴射手段を、上記特開平５−１５４４号公報の技術と同様に吸気ポートの下側位置に取り付け、吸気ポートの断面形状をその一方側半分が拡幅された構成としている。そして、吸気流の中心を偏心させて逆タンブル流の生成を促進し、燃料をシリンダ軸方向に対して斜めに噴射して逆タンブル流に乗せ、混合気を燃焼室頭頂部に設けられた点火プラグの方向に導くようにした構成例が示されている。
【０００７】
更に、特開平６−４２３５２号公報では、噴射手段を燃焼室の頭頂部中心位置に下方に向けて取り付け、点火プラグを２つの吸気ポートの間から燃焼室内に突出させて着火を行うようにした構成が示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平５−１５４４号公報に開示された筒内噴射式内燃機関では、マスク壁により強制的に逆タンブル流を発生させる吸気ポートを採用しているので、高速高負荷領域において吸入抵抗が過大となるおそれがある。これにより、吸入空気量の不十分な状態が生じ出力性能に影響が出るおそれがある。
【０００９】
次に、特開平６−１４６８８６号公報に開示された技術では、上述のように吸気ポートの断面形状の調整による逆タンブル流の生成を行い、ピストン上面の湾曲部によりこの逆タンブル流の生成を促進するようにしている。しかし、湾曲部内のみが燃焼室空間を形成する構成をとっているので圧縮比が過剰に高くなるおそれがある。これにより、通常の実用エンジンで必要な燃料、いわゆるレギュラーガソリンに見合う圧縮比を設定するのが困難である。
【００１０】
また、燃料噴射弁の噴射口と点火プラグの電極との間に距離があるために、電極付近の局所空燃比を精細に制御することが難しく、燃焼の安定性や着火性が低い。
【００１１】
更に、上述の２つの公報には、噴射手段がシリンダ軸方向に対して斜めに燃料噴射を行う旨の技術が開示されている。しかし、燃料を斜め方向に噴射した場合、燃料がシリンダ内周壁面上の潤滑油を洗い流すことにより、その部分だけ潤滑性が低下し、シリンダ内周面の偏摩耗やこれに起因して圧縮漏れ等の機能障害が発生するという不具合を有する。
【００１２】
次に、特開平６−４２３５２号公報の内燃機関の燃焼室構造では、点火プラグは燃焼室頭頂部のほぼ中央で真下に向けて設置され、この点火プラグの着火部分は、噴射手段の噴射領域内に配置されている。しかし、この従来例は、ピストンの上面に当って反射した燃料に対して点火するよりも、噴射した燃料の後端側に着火し、着火後の濃混合気が燃焼室中央に向かい、燃焼室中央位置にて燃焼を行うようにすることを主眼としている。
【００１３】
しかし、この方法では、低噴射領域においては良好な成層燃焼を得ることができるが、噴射量が増大していく状況では、スモークの発生を抑制することが困難となる。
【００１４】
本発明は、上記種々の従来技術における課題を解決するためになされたものであり、その目的はエンジンの種々の動作状態においてピストン上面での燃料の反射を利用して常に良好な成層燃焼を確保することのできる簡単な構成の筒内噴射式エンジンを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る筒内噴射式エンジンは、ペントルーフ型に形成された燃焼室天井部と吸気行程において燃焼室内にタンブル流を発生可能な吸気手段と排気手段とを有するシリンダヘッドと、燃焼室天井部のほぼ中心位置に設けられて所定タイミングでシリンダ軸方向に燃料を噴射する噴射手段と、シリンダヘッドと対向する上面部が平面状に形成されたピストンと、ピストンの上面部のほぼ中央位置に凹設されて、吸気側に設けた小径の円弧と排気側に設けた大径の円弧とを相対向させて組み合わせた形状の開口部を有する凹部と、燃焼室天井部の吸気側から燃焼室内へシリンダ軸方向に対して斜め方向に突出して設けられ、凹部の小径の円弧の近傍位置でかつ噴射手段から噴射された燃料が直接付着しない位置に着火部を有する点火手段と、凹部の開口部外周に上面部から燃焼室天井部に向けて燃焼室天井部の形状に対応して突出する凸壁部と、凸壁部の点火手段側に形成されてピストンが上死点近傍に上昇した位置で凸壁部と点火手段との干渉を回避する切欠部とを有することを特徴とする。
【００１６】
上記構成によれば、噴射手段により噴射された燃料は、凹部内にて反射、這い回り、跳ね上がり等の動きにより拡散する。そして、凹部内にて拡散した燃料は、凹部形状及び燃焼室内に存する弱タンブル流によって方向づけされ、吸気手段側へ、すなわち凹部の小径の円弧側へと誘導され、凹部によりピストンの上方へ跳ね上げられる。
【００１７】
したがって、小径の円弧の中心位置近傍に位置する着火部周辺に濃混合気を集中形成することができ、点火による着火性の向上と安定した成層燃焼を行うことができる。
【００１８】
特に、凹部の開口部外周に沿って上面部から燃焼室天井部に向けて燃焼室天井部の形状に対応して突出するように凸壁部を設け、ピストンが上死点近傍に上昇した位置で凸壁部と点火手段との干渉を回避する切欠部を凸壁部の点火手段側に設けているので、点火手段側以外への燃料の拡散を抑制でき、火炎伝播が不可能な混合気のちぎれを減少することができる。
【００１９】
また、点火手段の着火部を燃料噴射手段により噴射した燃料が直接付着しない位置に設けたことにより、点火手段のくすぶり・かぶりを回避でき、かつ着火部を噴射燃料が通過するために発生する火花放電の不安定化を回避することができる。
【００２０】
更に、噴射燃料の一部が直接シリンダの内周壁面に衝突することによって生じる冷却作用による燃焼の悪化や、噴射燃料の一部がシリンダ内周壁面に付着することによって、シリンダ内周壁面状の潤滑油膜を洗い流すことによるシリンダとピストンとの間の潤滑性の悪化を防止することができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態を説明するための参考例１を示す図であり、より詳しくは参考例１における筒内噴射式エンジン１０の構成を説明する断面図である。図示したように、筒内噴射式エンジン１０は、ペントルーフ型の燃焼室天井部（以下、単に「天井部」という）１２を有するシリンダヘッド１４と、上面部１６が基本的に平面形状であるいわゆるフラット型のピストン１８と、ピストン１８が往復動可能に嵌挿されるシリンダボア２０を有するシリンダ２２とを基本的な構成要素としている。
【００３４】
図２は図１の天井部１２をシリンダ２２側より見た概略説明図である。図１及び図２に示したように、天井部１２は２つの傾斜面１２ａ、１２ｂを有し、これら傾斜面１２ａ、１２ｂを屋根状に形成した切妻屋根形に似た形状をなしている。そして、天井部１２は、シリンダボア２０の中心軸ｚよりも後述する排気バルブ２８側に偏心した位置に形成されている。
【００３５】
また、図２に示したように、天井部１２の２つの傾斜面１２ａ、１２ｂには、シリンダヘッド１４に設けられた吸気ポート及び排気ポート（図示せず）と燃焼室２４との間を連通・遮断する吸気手段及び排気手段である吸気バルブ２６と排気バルブ２８が各２個設けられている。
【００３６】
また、点火手段である点火プラグ３０は、各吸気バルブ２６の間からシリンダボア２０の中心軸ｚに対して傾斜して燃焼室２４内に突出するようにシリンダヘッド１４に螺合されている。点火プラグ３０は、燃焼室２４側に突出した先端部分に着火部である電極部３２を有しており、電極部３２は点火プラグ３０をシリンダヘッド１４に螺合させた状態で、吸気バルブ２６側に偏位した位置でかつ後述する燃料噴射手段により噴射された燃料ｆが直接かからない位置となるように配置されている。
【００３７】
天井部１２のほぼ中心上方位置には、燃料噴射手段であるインジェクタ３４が設けられている。インジェクタ３４は、燃料ｆをシリンダボア２０の中心軸ｚ方向に向けて噴射し、その噴射形状は噴射中心軸ｆｍを中心として漸次広がる略円すい中空形状を形成する。
【００３８】
この燃料ｆの略円すい中空形状の形成は、例えば噴射の広がり角を４０度〜８０度程度とする噴射角を設定し、燃料に回転成分を与えつつ噴射することにより容易に形成することができる。具体的には、スワールノズルを用いたインジェクタ３４によるホローコーン噴霧により形成することができる。上記噴射広がり角の設定は、ピストン１８が所定位置において後述するピストンの凹部３６内に噴射範囲がおさまるように設定されている。
【００３９】
そして、吸気バルブ２６により燃焼室２４と連通・遮断される吸気ポート（図示せず）の形状により、燃焼室２４内には正方向の弱タンブルのガス流動（図中、矢印Ｇ）が生じるように構成されており、そのタンブル比はおよそ０．５〜２となるように設定されている。
【００４０】
次に、ピストン１８の形状について図３を用いて説明する。図３は、図１のピストン１８の上面説明図である。図示したように、ピストン１８は、上面部１６の形状をシリンダボア２０の中心軸ｚ方向と直交する平面形状を基本としている。そして、上面部１６には、吸気バルブ２６側及び排気バルブ２８側にそれぞれ小径Ｒ１で形成される円弧と大径Ｒ２で形成される円弧とを相対向させて両者間を円間接線ｓで直線的に結んだ略涙滴型の開口部３５を有する凹部３６が設けられている。
【００４１】
また、凹部３６は、上面部１６と平行でかつ所定深さｈに設けられた開口部３５とほぼ同型（略涙滴型）の底部３８を有し、かつ底部３８の周縁から滑らかな曲面で連続する曲面３８ａを介在して上面部１６へほぼ垂直（９０〜１５０度）に立ち上がる周壁部４０を有している。
【００４２】
この凹部３６の小径Ｒ１側（以下、単に「小径Ｒ１側」という）の中心位置（キャビティー・センタ：以下、単に「ｋｃ１」という）は、点火プラグ３０の電極部３２を通る中心軸ｚと平行な軸上に設けられ、大径Ｒ２側（以下、単に「大径Ｒ２側」という）の中心位置（以下、単に「ｋｃ２」という）は、シリンダボア２０の中心軸ｚよりも排気バルブ２８側にオフセットした位置で、インジェクタ３４の噴射中心軸ｆｍとほぼ同軸上となるように設けられている。
【００４３】
凹部３６の大径Ｒ２の径ｄ２は、シリンダボア２０の径Ｄに対して３０〜７０％程度の大きさに設定され、小径Ｒ１の径ｄ１は、シリンダボア２０の径Ｄに対して１０〜５０％程度の大きさに設定されている。また、凹部３６の深さｈはシリンダボア２０の径Ｄの１５％程度迄を限界として設定されている。
【００４４】
次に、上記構成を有する筒内噴射式エンジンの低・中負荷運転領域での動作及び作用効果について説明する。なお、参考例１の筒内噴射式エンジン１０は、高負荷運転領域の場合には、吸気行程時に燃料ｆを筒内噴射し、高出力運転を行うものであるが、その詳細な説明は省略する。
【００４５】
まず、エンジン動作状態における圧縮行程において、ピストン１８が所定位置まで上昇した時点でインジェクタ３４から燃料ｆがホローコーン形状に噴射される。そして、燃料ｆは、更に上昇を続けるピストン１８の凹部３６の底部３８と衝突する。その際に、形成されていたホローコーン形状が崩壊し、凹部３６内において反射、這い回り、跳ね上がりなどによる燃料ｆの効率的な拡散を生ぜしめる。
【００４６】
そして、周壁部４０では、上記反射等により拡散した燃料ｆの勢いが抑制され、燃料ｆの広がり方向がコントロールされる。すなわち、燃料ｆは、凹部３６が略涙滴型に形成されかつ燃焼室２４内に吸気行程において発生した弱タンブル流が存していることから、小径Ｒ１側に集合するように拡散し、小径Ｒ１側の周壁部４０によりピストン１８の上方に跳ね上げられる。
【００４７】
したがって、燃料ｆは、小径側の上方に位置する点火プラグ３０側に誘導され、所定の点火時期において、電極部３２の周辺に着火性が良好でかつ成層燃焼に適した混合気を形成することができる。この結果、火炎伝播が遮られる混合気のちぎれやオーバーリーン領域の発生を防ぐことができ、全体としてリーンな空燃比で適切かつ急速な燃焼を得ることができ、パーシャルバーンの発生を防止することができる。したがって、低・中負荷領域の広い運転条件で上記のような良好な成層燃焼を得ることができる。
【００４８】
なお、ペントルーフ型の天井部１２の傾斜面１２ａ、１２ｂにより、圧縮行程においても弱タンブル流が維持され、上死点付近では燃料の拡散に寄与する適度なタンブル流の乱れが発生し燃焼改善に寄与することができる。
【００４９】
上記種々の作用により、低負荷、中負荷領域で行われる成層燃焼をより良好に行うことができ、その結果として良好な運転性、ＨＣの低減ＮＯｘの低減さらに燃費の向上も達成される。また、凹部３６とペントルーフ型の天井部１２とにより形成されるコンパクトな燃焼室２４を確保することにより圧縮比は高くならないので、通常の燃料、いわゆるレギュラーガソリンを使用することができる。
【００５０】
また、燃料ｆは、その噴射方向及び凹部３６の作用によってシリンダ内周壁面４２側には拡散しにくいので、シリンダ内周壁面４２に対して燃料ｆが付着することによる潤滑性の低下を防止でき、ピストン動作における機能障害の発生も有効に防止することができる。
【００５１】
次に、本発明の実施の形態を説明するための参考例２について以下に説明する。図４は、参考例２における筒内噴射式エンジンの構成を説明する断面図であり、図５は、そのピストン１８の上面説明図である。図中において、参考例１と同様の構成要素には、同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。
【００５２】
参考例２において上述の参考例１と異なる特徴的構成は、上面部１６に設けられた凹部３６の形状にある。すなわち、吸気バルブ２６側及び排気バルブ２８側にそれぞれ小径Ｒ１の径ｄ１で形成される円弧と大径のＲ２の径ｄ２で形成される円弧とを相対向させて設けて両者間を大径Ｒ２の径ｄ２よりも更に大きい径ｄ３（ｄ３＞ｄ１＞ｄ２）を有する曲線ｃ１で滑らかに結んだ略たまご型の開口部３５を有する凹部３６を設けたことである。
【００５３】
上記構成によれば、インジェクタ３４より凹部３６内に噴射された燃料ｆは、反射、這い回り、跳上りなどにより効率的な拡散が生起される。したがって、全体としてはある規則性をもって勢いを止めることなく上記のような拡散動作が得られ、良好な成層燃焼を達成することができる。したがって、参考例１と比較して燃料ｆの拡散により形成される混合気Ｇをより均質にすることができる。
【００５４】
次に、本発明の実施の形態を説明するための参考例３について以下に説明する。図６は、参考例３における筒内噴射式エンジンの構成を説明する断面図であり、図７は、そのピストン１８の上面説明図である。図中において、参考例１と同様の構成要素には、同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。
【００５５】
参考例３において上述の各参考例１、２と異なる特徴的構成は、凹部３６の形状である。凹部３６は、吸気バルブ２６側及び排気バルブ２８側にそれぞれ小径Ｒ１で形成される円弧と大径Ｒ２で形成される円弧とを相対向させ、両者間を大径Ｒ２の径ｄ２よりも小さく小径Ｒ１の径ｄ１よりも大きい半径ｄ４（ｄ１＞ｄ４＞ｄ２）を有する曲線ｃ２により接続した略だるま型の開口部３５を有することである。この凹部３６の底部の形状は、大径Ｒ２側は第１の実施の形態と同様に上面部１６とほぼ平行の底部３８を有している。そして、大径Ｒ２と小径Ｒ１との接続部分は、小径Ｒ１側の深さｈ１が大径Ｒ２側の深さｈ２よりも浅く形成されて折り、段差部ｖを形成している。
【００５６】
上記構成によれば、インジェクタ３４より凹部３６の大径Ｒ２側に噴射された燃料ｆは、反射、這い回り、跳上りなどによる燃料ｆの効率的な拡散を生ぜしめる。すなわち、燃料ｆは、凹部３６の略だるま型の形状及び燃焼室２４内に存する弱タンブル流により、小径Ｒ１側の周壁部４０ａを這い上がり、小径Ｒ１側に誘導され、段差部ｖを駆け上がる。そして、混合気は、凹部３６の小径側の上方に位置する電極部３２近傍を必ず通過することとなる。したがって、第１及び第２の実施の形態と比較して電極部３２への混合気の集中形成をより良好に行うことができ、着火性をより向上させることができる。
【００５７】
次に、本発明の実施の形態について以下に説明する。図８は、本実施の形態における筒内噴射式エンジンの構成を説明する断面図であり、図９は本実施の形態に用いられるピストン１８の上面説明図である。図中において、参考例１と同様の構成要素には、同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。
【００５８】
本実施の形態において上述の参考例１と異なる特徴的構成は、凹部３６の開口部３５の周囲を囲むように、天井部１２に向けて突出し、かつピストン１８が上死点近傍に上昇した位置で点火プラグ３０との干渉を回避する凸壁部５４を設け、点火プラグ３０を電極部３２が凹部３６側を向くように配置したことである。
【００５９】
この凸壁部５４の形状は、図８に示したように、高さ方向の形状が天井部１２の傾斜面１２ａ、１２ｂとほぼ対応するように２つの傾斜面部５４ａ、５４ｂを有しており、頭頂部分は上面部１６と平行となるように平面部６０を形成しており、略台形形状を形成している。また、図９に示したように、凸壁部５４は、その中心を大径Ｒ２の中心軸ｋｃ２とほぼ同軸上となるように設けられており、外壁部５４ｂは天井部１２側に向かうにしたがって大径Ｒ２の中心軸ｋｃ２の方向へ漸次狭くなるように形成されている。
【００６０】
そして、凸壁部５４の点火プラグ３０側には、凸壁部５４が所定幅除去された切欠部６６を有している。また、図８からも明らかなように、凹部３６の断面形状は、吸気バルブ２６側の方が低く形成されている。
【００６１】
したがって、上記構成によれば、上述の実施の形態と比較して点火プラグ３０の電極部３２以外の方向への燃料の拡散を十分に抑制することができ、混合気のちぎれをより一層減少させることができる。これにより、ＨＣ（ハイドロカーボン）の低減を図ることができ、燃費の向上を得ることができる。
【００６２】
なお、本発明は、上述の各参考例１〜３及び本実施の構成に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上記各参考例１〜３及び本実施の形態ではピストン１８の上面部１６に設けられた凹部３６の形状を種々説明したが、上記のような形状に限定されるものではなく、凹部３６により形成されるコンパクトな燃焼室内に噴射された燃料ｆをスムーズに拡散動作させることのできる形状であれば種々の形状を採用することが可能である。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る筒内噴射式エンジンによれば、エンジンの燃焼室内の所定位置に局部的に濃い混合気をより適切に形成することができる。すなわち、低・中負荷領域の広い運転条件において、成層燃焼を実施するのに適した混合気の状態を全体としてリーンな空燃比を確保しつつ達成することができる。これにより、排気エミッションの改善、運転性の向上さらには燃費の向上にも貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例１における筒内噴射式エンジンの構成を説明する断面図である。
【図２】図１の天井部をシリンダボア側より見た概略説明図である。
【図３】図１のピストンの上面説明図である。
【図４】参考例２における筒内噴射式エンジンの構成を説明する断面図である。
【図５】図４のピストンの上面説明図である。
【図６】参考例３における筒内噴射式エンジンの構成を説明する断面図である。
【図７】図６のピストンの上面説明図である。
【図８】本実施の形態における筒内噴射式エンジンの構成を説明する断面図である。
【図９】図８のピストンの上面説明図である。
【符号の説明】
１２燃焼室天井部
１４シリンダヘッド
１８ピストン
２２シリンダ
２４燃焼室
２６吸気バルブ（吸気手段）
２８排気バルブ（排気手段）
３０点火プラグ（点火手段）
３２電極部（着火部）
３４インジェクタ（噴射手段）
３６凹部
４２シリンダ内周壁面
ｆ燃料

Claims

ペントルーフ型に形成された燃焼室天井部と吸気行程において燃焼室内にタンブル流を発生可能な吸気手段と排気手段とを有するシリンダヘッドと、
前記燃焼室天井部のほぼ中心位置に設けられて所定タイミングでシリンダ軸方向に燃料を噴射する噴射手段と、
前記シリンダヘッドと対向する上面部が平面状に形成されたピストンと、
前記ピストンの上面部のほぼ中央位置に凹設されて、前記吸気側に設けた小径の円弧と前記排気側に設けた大径の円弧とを相対向させて組み合わせた形状の開口部を有する凹部と、
前記燃焼室天井部の吸気側から前記燃焼室内へ前記シリンダ軸方向に対して斜め方向に突出して設けられ、前記凹部の小径の円弧の近傍位置でかつ前記噴射手段から噴射された前記燃料が直接付着しない位置に着火部を有する点火手段と、
前記凹部の開口部外周に前記上面部から前記燃焼室天井部に向けて該燃焼室天井部の形状に対応して突出する凸壁部と、
該凸壁部の点火手段側に形成されて前記ピストンが上死点近傍に上昇した位置で前記凸壁部と前記点火手段との干渉を回避する切欠部と、を有することを特徴とする筒内噴射式エンジン。