JP3903200B2

JP3903200B2 - 筒内噴射式火花点火内燃機関

Info

Publication number: JP3903200B2
Application number: JP13267297A
Authority: JP
Inventors: 博史宮窪
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1997-05-23
Filing date: 1997-05-23
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2017-05-23
Also published as: JPH10317972A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、シリンダヘッドに配置した燃料噴射弁からシリンダ内に直接燃料を噴射する筒内噴射式内燃機関、特にガソリン機関に代表される筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料噴射弁によってシリンダ内に直接燃料を噴射し、その混合気に点火プラグにより点火するようにした筒内噴射式火花点火内燃機関においては、一般に、特開昭６３−２３０９２０号公報に記載されているように、噴射された燃料がシリンダを直径方向に横切るようにシリンダ側壁寄りのシリンダヘッド下面部に燃料噴射弁が配置される場合が多い。そして、各気筒毎に一対の吸気弁を備えた吸気２弁式機関においては、このシリンダ側壁寄りのシリンダヘッド下面部に設けられる燃料噴射弁を、一対の吸気弁の中間位置に配置した構成が一般的なレイアウトとなっている。つまり、シリンダ中心軸に直交するシリンダ水平平面において見た場合には、燃料噴射弁の噴霧中心線が、シリンダの略中心部に位置する点火プラグを指向している。
【０００３】
また、機関低負荷時の希薄燃焼を可能とするために、吸気２弁式機関において、吸気ポート上流に、各吸気弁へ向かう新気の流量割合を可変制御する空気制御弁を配設し、機関低負荷時には、主に一方の吸気弁からシリンダ内に新気を導入して、シリンダ内に強い旋回流（スワール）を発生させる一方、機関高負荷時には、一対の吸気弁の双方からシリンダ内に新気を導入することによりシリンダ内に強い縦渦（タンブル）を発生させるようにした燃焼改善技術も知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようにシリンダ内に直接燃料を噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関においては、機関の全負荷時には、通常、混合気の均質化を図るために、吸気行程中に燃料噴射が行われるのであるが、上述したような従来の吸気２弁式機関のレイアウトでは、吸気弁がリフトしている状態でシリンダヘッド下面部の燃料噴射弁から燃料が噴射されると、燃料噴霧の一部が吸気弁の傘部裏面に衝突し、かつ反射して点火プラグ側に向かうため、点火プラグ周辺の混合気が部分的に過濃となる。そのため、点火プラグがくすぶり、燃焼安定性が損なわれるという問題がある。特に、この機関全負荷時には、燃料供給量そのものが多いため、燃料が点火プラグに集中すると、くすぶりが発生し易い。
【０００５】
また、吸気２弁式機関においては、一対の吸気弁の双方からシリンダ内に新気を導入した際にシリンダ内に縦渦（タンブル）が生じるように吸気ポートを構成した場合に、燃焼安定化のためにこの縦渦を強化したとしても、ピストン冠面近くの排気弁側シリンダ壁面寄りの部分は、縦渦の外側となるため、流れの弱い淀み点となる。上述した一般的な燃料噴射弁のレイアウトでは、機関の全負荷時に吸気行程中に噴射された燃料は、シリンダを直径方向に横切ってピストン冠面の排気弁側に到達するため、この淀み点となる部分に一部の燃料が滞留してしまい、空気と十分に混合せずに燃焼効率の低下を招くという問題がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、各気筒毎に、気筒列方向に並んだ２つの吸気弁および２つの排気弁を有し、かつこれらの４個の弁の略中央位置に点火プラグが配置され、２つの吸気弁の間でかつシリンダ側壁寄りのシリンダヘッド下面部に配置された燃料噴射弁からシリンダ内に直接燃料が噴射される筒内噴射式火花点火内燃機関において、
吸気弁の一方に対応する第１吸気ポートと他方に対応する第２吸気ポートとが、互いに独立して構成されているとともに、シリンダ中心軸に直交するシリンダ水平平面へ投影した各吸気ポートの中心線が、第１吸気ポートは気筒列方向に対し略垂直な形状に、第２吸気ポートはシリンダの略中心を指向するように内向した形状に、それぞれ構成されており、上記燃料噴射弁の先端位置が、２つの吸気弁の間の中央位置から上記第２吸気ポート寄りに片寄って配置されているとともに、この燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧を上記シリンダ水平平面に投影したときの噴霧中心線が、該シリンダ水平平面に投影した上記第２吸気ポートの中心線と略平行に構成され、さらにピストンの冠面における上記の２つの排気弁に対向する部分が、気筒列方向に、上記第１吸気ポート側から上記第２吸気ポート側へ向かって、徐々に低く形成されていることを特徴としている。
【０００７】
例えば機関の全負荷時には、シリンダ内に均質な混合気を確保するために、燃料は、吸気行程中に噴射される。従って、吸気弁のリフト中に燃料が噴射されるので、燃料噴霧の一部は吸気弁傘部の裏面に衝突し、ここで反射することがあるが、シリンダ中心軸に直交するシリンダ水平平面において、噴霧中心線は、第２吸気ポートの中心線と略平行となるように傾いているので、吸気弁傘部裏面で反射した燃料は点火プラグ付近には集中しない。つまり、吸気弁リフト中に燃料噴射が行われても、点火プラグ近傍が部分的に過濃となることがない。
【０００８】
また、燃料噴霧の進行方向は、第１吸気ポートから流入した新気の進行方向とは平行にならず、シリンダ水平平面において、互いに交差するようになるため、燃料噴霧と新気との相対速度が大きく得られ、気化拡散が促進されて混合気の均質化が促進される。
【０００９】
さらに、第１吸気ポートの中心線が気筒列方向に対し略垂直であるのに対し、第２吸気ポートの中心線はシリンダの略中心を指向するように内向しているため、両吸気ポートから同時にシリンダ内に新気が流入すると、シリンダ内には、斜め方向に傾いた縦渦が発生する。そのため、吸気行程後半から圧縮行程にかけてピストン冠面の排気バルブ側部分を流れる流動場成分が存在し、ここに到達した燃料を拡散することが可能となる。これにより、シリンダ内の混合気の均質化が進み、燃焼効率が改善される。また、ピストンの冠面における上記の２つの排気弁に対向する部分が、気筒列方向に、上記第１吸気ポート側から上記第２吸気ポート側へ向かって、徐々に低く形成されている。この構成では、前述したようにシリンダ内に斜め方向に傾いた縦渦が発生した際に、この縦渦がピストン冠面の排気弁側に一層積極的に導入されるようになり、この部分の燃料の拡散が一層促進される。
【００１０】
次に、請求項２の発明では、上記第１吸気ポートのシリンダ軸方向の高さが、第２吸気ポートのシリンダ軸方向の高さよりも高く設定されている。
【００１１】
このような構成では、両吸気ポートから同時に新気が流入してシリンダ内に縦渦が生成される際に、その縦渦が一層強化される。これにより均質燃焼時にピストン冠面の排気弁側に存在する燃料に対するかきあげ効果が増加し、混合気の均質性が改善される。また、点火時期におけるみだれも増加するため、燃焼効率の改善および熱効率の改善が図れる。
【００１４】
上記燃料噴射弁は、一般に略円筒状をなしているが、その中心軸の軸線方向に沿って燃料が噴射される場合には、この燃料噴射弁自体をシリンダヘッドに気筒列方向に対し斜めに取り付ける必要がある。
【００１５】
これに対し、請求項３に係る発明は、略円筒状をなす燃料噴射弁の中心軸に対して燃料噴霧の中心軸が傾斜しており、燃料噴射弁自体は、その中心軸が気筒列方向に直交する姿勢で取り付けられている。
【００１６】
また請求項４に係る発明は、上記第２吸気ポートの上流に、該吸気ポートを開閉する吸気制御弁が配設されているとともに、ピストン冠部に、凹部状の燃焼室が形成されており、成層希薄燃焼時に上記吸気制御弁を閉として主に第１吸気ポートから新気を導入するようにしたことを特徴としている。
【００１７】
第１吸気ポートは、上述したようにその中心線がシリンダ水平平面において気筒列方向に対し略垂直に構成されているので、成層希薄燃焼時に主に第１吸気ポートから新気を導入することにより、シリンダ内に水平方向の旋回流（スワール）が効果的に生成される。この成層希薄燃焼時には、燃料は、一般に圧縮行程後半に噴射される。このように圧縮行程後半に噴射された燃料は、ピストン冠部の凹部状の燃焼室内で適度に新気と混合し、かつスワール旋回流によって点火プラグ付近に集められる。これにより確実な着火が可能となる。ここで、上記燃料噴射弁の先端位置は、２つの吸気弁の間の中央位置から第２吸気ポート寄りに片寄って配置されているので、点火プラグに対し、上記燃焼室に生成される旋回流の一層上流側へ向かって燃料が噴射されることになる。従って、燃料噴霧が点火プラグ近傍に到達するまでの時間が増加し、燃料と新気との混合状態が改善される。これにより一層高負荷域まで成層燃焼を広げることが可能となる。
【００１８】
さらに請求項５の発明は、均質燃焼時には上記吸気制御弁を開として両吸気ポートから新気を導入するようにしたことを特徴としている。
【００１９】
このように両吸気ポートから新気を導入することにより、上述したように斜め方向に傾いたタンブルが生成される。
【００２０】
【発明の効果】
この発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関においては、機関の全負荷時等において吸気行程中に燃料噴射が行われる場合に、噴射された燃料が点火プラグ近傍に集中することがなく、点火プラグのくすぶりが抑制でき、安定した燃焼が可能となる。また、両吸気ポートから流入する新気によってシリンダ内に生成される縦渦が斜め方向に傾いたものとなり、その結果、ピストン冠面の排気弁側に生じる淀みが少なくなり、シリンダ内混合気の一層の均質化が図れ、燃焼効率が向上する。さらに、燃料噴霧と新気との混合および燃料の気化促進が促進され、混合気の均質化が促進される。
【００２１】
また請求項２の構成によれば、均質燃焼時における混合気の均質性が一層向上し、燃焼効率および熱効率が改善される。
【００２２】
また請求項３の構成によれば、燃料噴射弁自体は、気筒列方向に直交する姿勢で取り付けられるので、シリンダヘッド側面における噴射弁取付孔の加工や取付作業が容易となる。
【００２３】
また請求項４および請求項５の構成によれば、成層希薄燃焼から均質燃焼に亙る広範囲の燃焼性能を改善することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２５】
図１〜図４は、この発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関の第１実施例を示している。図４に示すように、シリンダブロック１には、複数のシリンダ３が直列に配置されており、その上面を覆うように、シリンダヘッド２が固定されている。上記シリンダ３内には、ピストン４が摺動可能に嵌合している。また、上記シリンダヘッド２によって形成されるシリンダ３の頂面３ａは、いわゆるペントルーフ型に構成されており、その一方の傾斜面に一対の吸気弁５ａ，５ｂが、他方の傾斜面に一対の排気弁６ａ，６ｂがそれぞれ配置されている。そして、図１に示すように、これらの一対の吸気弁５ａ，５ｂおよび一対の排気弁６ａ，６ｂによって囲まれたシリンダ３の略中心位置に、点火プラグ７が配置されている。尚、図１，図２において、符号Ｌは、気筒列方向に沿ったエンジンセンターラインを示しており、一対の吸気弁５ａ，５ｂは、このエンジンセンターラインＬに沿って並んでいる。同様に一対の排気弁６ａ，６ｂも、エンジンセンターラインＬに沿って並んでいる。
【００２６】
上記シリンダヘッド２には、一方の吸気弁５ａに対応する第１吸気ポート８ａと他方の吸気弁５ｂに対応する第２吸気ポート８ｂとが、互いに独立して構成されている。つまり、これらの第１，第２吸気ポート８ａ，８ｂは、シリンダヘッド２内で合流せず、それぞれシリンダヘッド２側面において独立して開口している。また上記排気弁６ａ，６ｂに対応して排気ポート９が形成されている。（図４参照）。
【００２７】
略円筒状をなす電磁式燃料噴射弁１０は、図４に示すように、吸気弁５ａ，５ｂ側のシリンダ３側壁寄りのシリンダヘッド２下面部に配置されており、その中心軸が斜め下方へ向かった姿勢で取り付けられている。特に、図１に示すように、上記燃料噴射弁１０は、２つの吸気弁５ａ，５ｂの間に配置されている。
【００２８】
上記シリンダ３内に配置されたピストン４の冠面は、図４に示すように、吸気弁５ａ，５ｂに向かう傾斜面１１と、排気弁６ａ，６ｂへ向かう傾斜面１２とを備えており、かつ吸気弁５ａ，５ｂ側に偏心した位置に、円形の凹部状の燃焼室１３が形成されている。
【００２９】
図１に示すように、各吸気ポート８ａ，８ｂの形状をシリンダ３の中心軸に直交するシリンダ水平平面へ投影した場合に、第１吸気ポート８ａの中心線Ｍ１は、気筒列方向つまりエンジンセンターラインＬに対し略垂直となっている。これに対し、第２吸気ポート８ｂの中心線Ｍ２は、シリンダ３の略中心を指向するように内向している。つまり、エンジンセンターラインＬに対し直交しておらず、僅かに傾いている。そして、燃料噴射弁１０における噴霧の中心線Ｆは、図１に示すように、上記シリンダ水平平面に投影した場合に、上記第２吸気ポート８ｂの中心線Ｍ２と略平行となっている。この実施例では、燃料噴射弁１０の噴霧中心線Ｆは、略円筒状をなす燃料噴射弁１０の中心軸に沿ったものとなっており、従って、上述した噴霧中心線Ｆに沿うように燃料噴射弁１０自体がシリンダヘッド２に取り付けられている。また、上記燃料噴射弁１０の先端の噴孔位置は、図１に示すように、両吸気弁５ａ，５ｂの間の中央位置から吸気弁５ｂつまり第２吸気ポート８ｂ寄りに片寄って配置されている。
【００３０】
上記の第１，第２吸気ポート８ａ，８ｂは、それぞれ吸気マニホルド側に独立して形成された吸気通路１４ａ，１４ｂに接続されている。そして、上記第２吸気ポート８ｂに接続された吸気通路１４ｂ内には、第２吸気ポート８ｂを開閉するバタフライバルブ型の空気制御弁１５が介装されている。この空気制御弁１５は、図示せぬ駆動機構により機関運転条件に応じて開閉制御される。
【００３１】
次に上記内燃機関の作用について説明する。
【００３２】
先ず、機関の全負荷時あるいは希薄燃焼域の中でも比較的空燃比が小さな領域では、シリンダ３内に均質な混合気を形成して点火する均質燃焼が行われる。この均質燃焼時には、上記空気制御弁１５は、開状態に制御され、一対の吸気ポート８ａ，８ｂの双方からシリンダ３内へ新気が導入される。また、燃料は、吸気行程、特にその前半からシリンダ３内に噴射供給される。
【００３３】
このように燃料噴射弁１０から吸気弁５ａ，５ｂのリフト中に燃料が噴射されると、その一部は吸気弁５ａ，５ｂの傘部裏面に衝突し、かつ反射する。しかし、本発明では、図２に示すように、燃料噴霧の中心線Ｆが点火プラグ７を指向していないので、吸気弁５ａ，５ｂの傘部裏面に衝突した燃料は、図２に矢印で示すように進行することになり、点火プラグ７には集中しない。従って、点火プラグ７のくすぶりが抑制でき、安定した燃焼が可能となる。
【００３４】
また、図２に明らかなように、燃料噴射弁１０から噴射された燃料の進行方向は、第１吸気ポート８ａから流入した新気の進行方向とは平行にならず、互いに交差する。そのため、燃料噴霧と新気との相対速度が増加し、燃料の気化拡散が促進される。これにより均質燃焼時に必要な混合気の均質化が促進される。
【００３５】
また、第１吸気ポート８ａがエンジンセンターラインＬに直交するのに対し、第２吸気ポート８ｂは内側に傾斜しているため、両吸気ポート８ａ，８ｂから流入する新気によってシリンダ３内に生成される縦渦（タンブル）は、図３に矢印で示すように、斜め方向に傾いたものとなる。つまり、縦渦がエンジンセンターラインＬに沿って広がったものとなる。そのため、吸気行程後半から圧縮行程にかけてピストン４の排気弁６ａ，６ｂ側の冠面外周部付近を流れる流動場成分が存在する。すなわち、図４に符号Ａとして示す領域の淀みが少なくなり、燃料噴射弁１０からこのＡ部に到達した燃料が、ここに滞留せずに積極的に拡散され、シリンダ３内の混合気の均質化が進む。これにより燃焼効率が向上する。従って、均質燃焼時に、点火プラグ７のくすぶりを抑制しつつ燃焼効率に優れた安定した燃焼が可能となる。
【００３６】
一方、低負荷域で、かつ空燃比を非常に大きくする希薄燃焼域では、混合気の成層化により確実な着火を可能とする成層希薄燃焼を行う。この成層希薄燃焼時には、上記空気制御弁１５が閉じられ、第１吸気ポート８ａのみからシリンダ３内に新気が流入する。これにより、シリンダ３内には、水平方向に沿った旋回流（スワール）が生成される。ここで、上記第１吸気ポート８ａはエンジンセンターラインＬに直交する略直線状をなしているので、シリンダ３内にスワール旋回流が効率良く生成される。つまり、ヘリカルポートのような吸気抵抗の大きなポート形状とせずに十分なスワールを生成できる。
【００３７】
そして、この成層希薄燃焼の際には、燃料は、圧縮行程の後半において燃料噴射弁１０から噴射される。この噴射された燃料は、ピストン４冠部の凹部状の燃焼室１３内に封じ込められたスワールに乗って点火プラグ７側へ移動し、点火プラグ７周辺に着火可能な混合気を形成する。ここで、上記構成では、燃料噴射弁１０の先端噴孔位置が、吸気弁５ｂ寄りに片寄って配置されているので、燃焼室１３内におけるスワールの方向について見ると、点火プラグ７に対しスワールの一層上流側に向かって燃料が噴射供給されることになる。そのため、スワールによって移動する燃料噴霧が点火プラグ７近傍に到達するまでの時間が増加することになり、燃料と新気との混合状態が改善される。従って、一層高負荷側の領域まで成層燃焼を拡大することが可能となる。
【００３８】
次に、図５は、この発明の第２実施例を示している。この実施例においては、上記第１吸気ポート８ａのシリンダ軸方向の高さが、第２吸気ポート８ｂのシリンダ軸方向の高さよりも高く設定されている。つまり、シリンダヘッド２の下面を基準とした場合の第１吸気ポート８ａの高さＨａが、第２吸気ポート８ｂの高さＨｂよりも高くなっている。これにより、第２吸気ポート８ｂから流入する新気によって発生する縦渦が強化される。従って、両吸気ポート８ａ，８ｂから新気が導入される均質燃焼時に、ピストン４の排気側の傾斜面１２の上に存在する燃料に対するかきあげ効果が増加し、混合気の均質性がさらに改善される。また点火時期におけるシリンダ３内のみだれも増加し、燃焼効率および熱効率が改善される。
【００３９】
次に、図６，図７は、この発明の第３実施例を示している。この実施例においては、ピストン４冠面の排気弁側つまり傾斜面１２の高さが、気筒列方向に沿って、第１吸気ポート８ａ側から第２吸気ポート８ｂ側へ向かって徐々に低くなるように形成されている。さらに、この実施例では、この傾斜面１２に、比較的浅い凹部１６が気筒列方向にほぼ沿って細長く形成されている。
【００４０】
この実施例においては、両吸気ポート８ａ，８ｂから新気が導入される均質燃焼時において、図３に示したようにシリンダ３内に生成される傾いた斜め縦渦が、ピストン４の上部の排気側外周部に一層積極的に案内されるようになり、この部分に到達した燃料の拡散が促進される。従って、均質燃焼時の燃焼が一層良好なものとなる。
【００４１】
また図８は、この発明の第４実施例を示している。この実施例においては、燃料噴射弁１０は、略円筒状をなす該燃料噴射弁１０の中心軸に対して燃料噴霧の中心軸Ｆが傾斜した構成となっている。これにより、燃料噴射弁１０自体は、シリンダ水平平面上で見た場合に、その中心軸がエンジセンターラインＬに直交する姿勢で取り付けられており、燃料噴霧の方向のみが前述した各実施例と同様のものとなっている。
【００４２】
従って、この実施例においては、シリンダヘッド２における燃料噴射弁取付孔の加工や取付作用が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関の第１実施例を示す平面図。
【図２】この第１実施例において吸気行程中に噴射された燃料噴霧の方向を示す説明図。
【図３】シリンダ内に生成される縦渦の様子を示す斜視図。
【図４】この第１実施例の断面図。
【図５】この発明の第２実施例を示す断面図。
【図６】この発明の第３実施例を示す平面図。
【図７】図６の矢印Ｂ−Ｂ線に沿った断面図。
【図８】この発明の第４実施例を示す平面図。
【符号の説明】
３…シリンダ
５ａ，５ｂ…吸気弁
６ａ，６ｂ…排気弁
７…点火プラグ
８ａ…第１吸気ポート
８ｂ…第２吸気ポート
１０…燃料噴射弁
１３…燃焼室

Claims

各気筒毎に、気筒列方向に並んだ２つの吸気弁および２つの排気弁を有し、かつこれらの４個の弁の略中央位置に点火プラグが配置され、２つの吸気弁の間でかつシリンダ側壁寄りのシリンダヘッド下面部に配置された燃料噴射弁からシリンダ内に直接燃料が噴射される筒内噴射式火花点火内燃機関において、
吸気弁の一方に対応する第１吸気ポートと他方に対応する第２吸気ポートとが、互いに独立して構成されているとともに、シリンダ中心軸に直交するシリンダ水平平面へ投影した各吸気ポートの中心線が、第１吸気ポートは気筒列方向に対し略垂直な形状に、第２吸気ポートはシリンダの略中心を指向するように内向した形状に、それぞれ構成されており、上記燃料噴射弁の先端位置が、２つの吸気弁の間の中央位置から上記第２吸気ポート寄りに片寄って配置されているとともに、この燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧を上記シリンダ水平平面に投影したときの噴霧中心線が、該シリンダ水平平面に投影した上記第２吸気ポートの中心線と略平行に構成され、さらにピストンの冠面における上記の２つの排気弁に対向する部分が、気筒列方向に、上記第１吸気ポート側から上記第２吸気ポート側へ向かって、徐々に低く形成されていることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
上記第１吸気ポートのシリンダ軸方向の高さが、第２吸気ポートのシリンダ軸方向の高さよりも高く設定されていることを特徴とする請求項１記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
略円筒状をなす燃料噴射弁の中心軸に対して燃料噴霧の中心軸が傾斜しており、燃料噴射弁自体は、その中心軸が気筒列方向に直交する姿勢で取り付けられている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内燃機関。
上記第２吸気ポートの上流に、該吸気ポートを開閉する吸気制御弁が配設されているとともに、ピストン冠部に、凹部状の燃焼室が形成されており、成層希薄燃焼時に上記吸気制御弁を閉として主に第１吸気ポートから新気を導入するようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
均質燃焼時には上記吸気制御弁を開として両吸気ポートから新気を導入するようにしたことを特徴とする請求項４記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。