JP4103775B2

JP4103775B2 - 筒内噴射式火花点火内燃機関

Info

Publication number: JP4103775B2
Application number: JP2003372324A
Authority: JP
Inventors: 知士郎杉本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2023-10-31
Also published as: JP2005133679A

Description

本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。

気筒内へ必要量の燃料を確実に供給するために気筒内へ直接的に燃料を噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関が公知である。

このような筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気行程において燃料を噴射して気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を着火燃焼させる均質燃焼が実施される。良好な均質燃焼を実現するためには十分に均質化された均質混合気を形成することが必要である。

十分に均質化された均質混合気を形成するには、吸気行程後半の大きな気筒内空間全体に噴射燃料が行き亘るように、気筒上部周囲に配置された燃料噴射弁によって先広がりの燃料噴霧を比較的大きな貫徹力を持たせて噴射することが必要である。円錐状燃料噴霧では貫徹力が弱いために、先広がりの燃料噴霧として、主に幅方向に広がる扇状燃料噴霧を使用することが考えられる。

扇状燃料噴霧を縦方向に、例えば、扇状燃料噴霧の幅方向が燃料噴射弁の噴孔中心と気筒の中心軸線とを通る平面に対して平行となるように使用する筒内噴射式火花点火内燃機関が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−２２０４６０号公報特開平１１−２００８６６号公報

扇状燃料噴霧を前述のように縦方向に使用し、吸気行程後半のピストン位置において、扇状燃料噴霧の上部が気筒内空間のシリンダヘッド近傍を、また、扇状燃料噴霧の下部がピストン近傍を向くように、扇状燃料噴霧の扇夾角を適当に選択することにより、吸気行程後半の大きな気筒内空間全体に噴射燃料を行き亘らせるようにすることができる。それにより、その後の圧縮行程において良好な均質混合気を形成することが可能となる。しかしながら、貫徹力が比較的大きな扇状燃料噴霧をこのように噴射すると、シリンダヘッド近傍においては、燃料噴射弁の噴孔からシリンダボアまでの距離が比較的短いために、扇状燃料噴霧の上部はシリンダボアに衝突し、その際にシリンダボアに付着する燃料がエンジンオイルを希釈させてしまう。

従って、本発明の目的は、均質燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、エンジンオイルを希釈させることなく良好な均質混合気の形成を可能とすることである。

本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、気筒上部周囲に配置された燃料噴射弁により燃料を噴射して均質混合気を形成する筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁は、主には幅方向に広がる扇状燃料噴霧を、前記扇状燃料噴霧の厚さ方向中心平面が気筒中心軸線と略平行となるように吸気行程後半の気筒内全体に噴射し、前記扇状燃料噴霧の上部は、前記扇状燃料噴霧の下部に比較して貫徹力が弱められ、前記燃料噴射弁は、前記扇状燃料噴霧を噴射するために上下方向に配列された多数の小径噴孔を具備し、上側の小径噴孔群の孔径が下側の小径噴孔群の孔径より小さいか、又は、上側の小径噴孔群の孔数が下側の小径噴孔群の孔数より少ないことを特徴とする。

請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、燃料噴射弁は、扇状燃料噴霧を噴射するために上下方向に配列された多数の小径噴孔を具備し、上側の小径噴孔群の孔径が下側の小径噴孔群の孔径より小さいか、又は、上側の小径噴孔群の孔数が下側の小径噴孔群の孔数より少なく、扇状燃料噴霧の上部は、扇状燃料噴霧の下部に比較して貫徹力が弱められるために、吸気行程後半において、扇状燃料噴霧の下部は、強い貫徹力によって長い距離の飛行が可能であるために、ピストン近傍へ確実に到達し、また、扇状燃料噴霧の上部は、弱くされた貫徹力によって短い距離の飛行しか可能とならず、シリンダボア近傍には達するが、シリンダボアに衝突することは抑制される。こうして、エンジンオイルを希釈させることなく、吸気行程後半の大きな気筒内空間全体に噴射燃料を行き亘らせるようにすることができ、良好な均質混合気の形成が可能となる。

図１は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の吸気行程後半における概略縦断面図であり、図２は図１の気筒内平面図である。これらの図において、１は気筒上部略中心に配置された点火プラグであり、２は気筒上部周囲から気筒内へ直接的に燃料を噴射するための燃料噴射弁である。また、３はピストンである。４は気筒上部に接続された吸気ポートであり、５は吸気ポート４の気筒内開口を開閉する吸気弁である。６は気筒上部に接続された排気ポートであり。７は排気ポート６の気筒内開口を開閉する排気弁である。燃料噴射弁２は、燃料のベーパを防止するために、気筒内において吸気流により比較的低温度となる吸気ポート側に配置されている。

また、燃料噴射弁２は、スリット状の噴孔を有し、主には幅方向Ｗに広がる扇状燃料噴霧を、扇状燃料噴霧の厚さ方向Ｔの中心平面Ｐが気筒中心軸線Ｃと略平行となるように噴射するものである。図２に示すように、扇状燃料噴霧は、厚さ方向Ｔにも僅かに広がるようにしても良い。また、燃料噴射弁２は、図３に示すように、複数（例えば、二つ）の扇状燃料噴霧を、それぞれの厚さ方向の中心平面（Ｐ１及びＰ２）が気筒中心軸線Ｃと略平行となるように噴射するようにしても良い。

また、燃料噴射弁２から噴射される扇状燃料噴霧は、図１に示すように、吸気行程後半のピストン位置において、扇状燃料噴霧の上部が気筒内空間のシリンダヘッド近傍を、また、扇状燃料噴霧の下部がピストン近傍を向くようにされている。

扇状燃料噴霧は円錐状燃料噴霧に比較して大きな貫徹力を有し、扇状燃料噴霧の各部は比較的長い距離を飛行可能である。それにより、吸気行程後半において、扇状燃料噴霧の下部（ピストン側）はピストン近傍まで確実に到達し、吸気行程後半の大きな気筒内空間全体に噴射燃料を行き亘らせるようにすることができ、その後の圧縮行程において十分に均質化された均質混合気の形成が可能となる。しかしながら、通常の扇状燃料噴霧を使用すると、シリンダヘッド近傍においては、燃料噴射弁の噴孔からシリンダボアまでの距離が比較的短いために、扇状燃料噴霧の上部（シリンダヘッド側）は大きな貫徹力が災いしてシリンダボアに衝突してしまう。その際にシリンダボアに燃料が付着するとエンジンオイルの希釈の問題が発生する。

本実施形態においては、この問題を解決するために、燃料噴射弁２から噴射する扇状燃料噴霧の上部における貫徹力を下部に比較して弱めるようにしている。それにより、扇状燃料噴霧の上部は、シリンダボア近傍へ到達しても、シリンダボアへ衝突することは抑制される。それにより、エンジンオイルを希釈させることなく良好な均質混合気の形成が可能となる。

このように扇状燃料噴霧の上部の貫徹力を弱めるために、本実施形態において、燃料噴射弁２のスリット状の噴孔２１は図４に示すように形成されている。図４は、燃料噴射弁２の噴孔近傍における噴孔２１の厚さ方向に垂直な拡大断面図である。同図において、２２は燃料噴射弁内の燃料溜であり、噴孔２１は燃料溜２２に連通している。それにより、弁体（図示せず）が開弁して燃料溜２２へ高圧燃料が供給されれば、燃料溜２２内の高圧燃料が噴孔２１を介して噴射される。一方、弁体が閉弁して燃料溜２２への高圧燃料の供給が停止されれば、燃料溜２２内の燃料圧力が低下し、噴孔２１を介しての燃料噴射は停止される。

本実施形態において、燃料溜２２は半球形状の先端部を有し、この先端部に連通して、扇状燃料噴霧を噴射するために所定扇夾角で対向する上壁２１ａ及び下壁２１ｂを有する噴孔２１が形成されている。それにより、噴孔２１の厚さ方向に垂直な各断面において、燃料溜２２と噴孔２１との境界は円弧形状となっている。

これら各断面において、本実施形態とは異なり、噴孔２１の上壁２１ａの延長線と下壁２１ｂの延長線との交点Ｒが、もし、境界の円弧形状の中心Ｑ（厚さ方向における中央断面においては、円弧形状中心Ｑと燃料溜２２の先端部の半球形状中心とは一致する）に一致していると、燃料溜２２から噴孔２１の内側開口へ流入した燃料を放射状に分割して考えた場合において、燃料各部は、燃料溜２２内の燃料圧力が円弧形状中心Ｑを中心として放射状に作用するために、噴孔２１内で等しく幅方向に広がって噴孔２１の外側開口から噴射される。こうして、扇状燃料噴霧を形成する燃料各部は、比較的高い貫徹力を有し、扇状燃料噴霧の上部はシリンダボアへ衝突してしまう。

本実施形態では、前述の各断面において、噴孔２１の上壁２１ａの延長線と下壁２１ｂの延長線との交点Ｒが、境界の円弧形状中心Ｑから偏倚するようにし、交点までの上壁２１ａの延長線が、交点までの下壁２１ｂの延長線より長くされている。こうすることにより、交点Ｒは円弧形状中心Ｑと噴孔２１の外側開口の幅方向中心とを通る直線より下側となる。

それにより、前述同様に考えた場合において、燃料溜２２から噴孔２１の内側開口へ流入した燃料各部は、噴孔２１内において円弧形状中心Ｑを中心として放射状に作用する燃料圧力によって幅方向に広がることとなるが、前述の交点Ｒの偏倚によって、図４に示すように、下壁２１ｂに近いほど幅方向にあまり広がることなく、また、噴孔２１の上壁２１ａに近いほど幅方向に大きく広がって、噴孔２１の外側開口から噴射されることとなる。こうして、扇状燃料噴霧の上部を形成する燃料部分の貫徹力は弱められ、短い距離の飛行しか可能とならず、シリンダボアへの衝突が抑制される。一方、扇状燃料噴霧の下部を形成する燃料部分の貫徹力は強められ、長い距離の飛行が可能となって吸気行程後半においてピストン近傍まで確実に到達することができる。

従来のように一様にされた扇状燃料噴霧の各部の貫徹力に対して、扇状燃料噴霧の上部の貫徹力を弱めると共に、扇状燃料噴霧の下部の貫徹力を強める場合には、噴孔２１の上壁の延長線が円弧形状中心Ｑと噴孔２１の外側開口の幅方向中心とを通る直線に対して、円弧形状中心Ｑより噴孔側で交差するように、また、噴孔２１の下壁の延長線が円弧形状中心Ｑと噴孔２１の外側開口の幅方向中心とを通る直線に対して、円弧形状中心Ｑより反噴孔側（弁体側）で交差するようにすれば良い。もちろん、この場合においても、互いの交点までの上壁２１ａの延長線は、互いの交点までの下壁２１ｂの延長線より長くなる。

ところで、スリット状噴孔ではなく、図５及び図６に示すように上下方向に配列された多数の小径噴孔により前述の扇状燃料噴霧を形成することが可能である。図５及び図６において、多数の小径噴孔は、好ましくは、それぞれ燃料溜の半球形状先端部の中心から放射状に形成される。この場合においても、扇状燃料噴霧の上部における貫徹力を弱めることが必要である。

図５に示す燃料噴射弁２’では、扇状燃料噴霧の上部を形成する上側の第一小径噴孔群Ａの孔径を扇状燃料噴霧の下部を形成する下側の第二小径噴孔群Ｂの孔径より小さくしている。それにより、第一小径噴孔群Ａ全体から噴射される燃料の流量は第二小径噴孔群Ｂ全体から噴射される燃料の流量より少なくなり、扇状燃料噴霧の上部における貫徹力を弱めることができる。

また、図６に示す燃料噴射弁２”では、扇状燃料噴霧の上部を形成する上側の第一小径噴孔群Ｃの孔数を扇状燃料噴霧の下部を形成する下側の第二小径噴孔群Ｄの孔数より少なくしている。それにより、第一小径噴孔群Ｃ全体から噴射される燃料の流量は第二小径噴孔群Ｄ全体から噴射される燃料の流量より少なくなり、扇状燃料噴霧の上部における貫徹力を弱めることができる。また、第二小径噴孔群Ｄの各噴孔は第一小径噴孔群Ｃの各噴孔に比較して密に形成されるために、第二小径噴孔群Ｄの各噴孔から噴射される各燃料噴霧は、互いに干渉して一塊となり易く、一塊となれば貫徹力が高まるために、扇状燃料噴霧の下部は吸気行程後半においてピストン近傍まで確実に到達することができる。

本実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関は、吸気行程燃料噴射により均質燃焼を実施するものであるが、燃料噴射量が少ない機関低負荷時等において、圧縮行程後半で燃料を噴射して点火プラグ近傍だけに可燃混合気を形成する成層燃焼も実施可能である。

本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す吸気行程後半における概略縦断面図である。図１の筒内噴射式火花点火内燃機関の気筒内平面図である。図１の筒内噴射式火花点火内燃機関のもう一つの気筒内平面図である。燃料噴射弁の噴孔近傍における噴孔の厚さ方向に垂直な拡大断面図である。もう一つの燃料噴射弁の正面図である。さらにもう一つの燃料噴射弁の正面図である。

符号の説明

１…点火プラグ
２，２’，２”…燃料噴射弁
３…ピストン
２１…噴孔
２２…燃料溜

Claims

気筒上部周囲に配置された燃料噴射弁により燃料を噴射して均質混合気を形成する筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁は、主には幅方向に広がる扇状燃料噴霧を、前記扇状燃料噴霧の厚さ方向中心平面が気筒中心軸線と略平行となるように吸気行程後半の気筒内全体に噴射し、前記扇状燃料噴霧の上部は、前記扇状燃料噴霧の下部に比較して貫徹力が弱められ、前記燃料噴射弁は、前記扇状燃料噴霧を噴射するために上下方向に配列された多数の小径噴孔を具備し、上側の小径噴孔群の孔径が下側の小径噴孔群の孔径より小さいか、又は、上側の小径噴孔群の孔数が下側の小径噴孔群の孔数より少ないことを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。