JP2003120300A - ガソリン直接噴射式エンジン - Google Patents

ガソリン直接噴射式エンジン

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JP2003120300A JP2002239948A JP2002239948A JP2003120300A JP 2003120300 A JP2003120300 A JP 2003120300A JP 2002239948 A JP2002239948 A JP 2002239948A JP 2002239948 A JP2002239948 A JP 2002239948A JP 2003120300 A JP2003120300 A JP 2003120300A
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direct injection
piston
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bowl
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Chul-Ho Yu
哲 豪 劉
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Hyundai Motor Co
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃焼室に流入する吸入空気のタンブル流動を
強化して、燃費改善はもちろん出力を向上させ、冷始動
時の排出ガスを低減させる。 【解決手段】 シリンダーヘッド下面とシリンダー内の
ピストン上面によって形成される燃焼室と；前記シリン
ダーヘッド両側に形成される吸、排気ポートに各々配置
される吸、排気バルブと；前記シリンダーヘッド下面に
配置される点火プラグと；前記燃焼室内に直接燃料を噴
射する燃料インジェクターとを備える直接噴射式エンジ
ンにおいて、前記ピストンの吸気バルブ側傾斜上面と排
気バルブ側傾斜上面によって形成されるペントルーフ形
状の突出部分に、台形で排気側は広くて吸気側は狭いボ
ウルを形成し、前記吸気ポートは下流端部分が上、下に
分離されて２個の流路を有するようにスプリットウォー
ルを配置して、上側流路はタンブル流路となるように
し、下側流路の入口部には選択的にエンジン制御ユニッ
トの制御によって開閉されるバルブが配置されることを
特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はガソリン直接噴射エ
ンジンに係り、より詳しくは、燃焼室に流入する吸入空
気のタンブル（ＴＵＭＢＬＥ）流動を強化して、燃費改
善はもちろんのこと出力も向上させ、冷始動時に排出ガ
スを低減できるガソリン直接噴射エンジンに関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】ガソリン直接噴射式エンジンは、日毎深
刻化する地球環境問題対応の一環として、有害排出ガス
が少なくて燃費の良い車両の要求に応えるために、一般
的なガソリンエンジンとディーゼルエンジンの長所を組
合わせ、ガソリン燃料を燃焼室内に直接噴射して燃焼で
きるようにしたエンジンである。
【０００３】ガソリン直接噴射式エンジンの設計で最も
重要なことは吸入流動であり、その吸気流動は吸気ポー
トと燃焼室、ピストンの形状によって決められる。ま
た、噴射燃料の壁流を抑制し、短時間で空気との混合と
気化が適正に行われるようにするための吸入流動、噴霧
状態の最適化、及びスパークプラグ周囲に層状化した混
合気を造成して、円滑な点火と火炎伝播を達成できるよ
うにする研究開発が続けられている。
【０００４】このような点を勘案した従来のガソリン直
接噴射式エンジンの例としては、日本国特開平４−１６
６６１２号と大韓民国特許公開第１９９７−７０３４８
１号が提案されている。
【０００５】日本国特開平第４−１６６６１２号は図８
ａ及び図８ｂのように、ピストン１００のヘッド面に点
火プラグ１０２の直下方向から燃料インジェクター１０
４の先端部下側まで延びるボウル１０６（凹溝）と溝を
形成している。
【０００６】ボウル１０６は点火プラグ１０２と燃料イ
ンジェクター１０４を含む垂直平面に対して大略球面に
形成され、点火プラグ１０２下側にあるボウル１０６の
内面上には、ボウル１０６から点火プラグ１０２に向か
って弓形状をなす燃料案内溝１０８が形成されている。
【０００７】これにより燃料インジェクター１０４から
噴射される燃料がボウル１０６の底部と衝突し、ボウル
１０６の底部から燃料案内溝１０８に沿って点火プラグ
１０２の周囲まで導かれるようにして、点火プラグ１０
２の周囲に濃厚混合気が形成させ着火性を改善してい
る。
【０００８】大韓民国特許公開９７−７０３４８１号は
図９ａ及び図９ｂのように、ピストン２００のヘッド上
面にペントルーフ２０２を形成しその吸気側面にボウル
２０４を形成して、燃焼室２０６内に導入された吸気の
流れをシリンダーヘッド２０８の下面からピストン２０
０の上面方向に向かうようにし、再びピストン２００の
上面からシリンダーヘッド２０８の下面方向に向かうタ
ンブルを助長すると同時に、ボウル２０４の入口側角部
を出口側角部より鈍く形成することにより、燃料を燃焼
室２０６に直接噴射できるようにしている。
【０００９】しかし、ボウルは球面が一定の曲率を有す
るようになだらかに形成されているため、タンブル生成
時にそのタンブル流動の強さが微弱であり、均一な濃度
の稀薄混合気を生成するのが難しい。
【００１０】また、燃料インジェクターから噴射された
燃料がピストンのボウル面に衝突する場合の気化時間
は、大気中の場合より長い時間を必要とし、蒸発の遅れ
たガスの燃焼参加が遅くなったり、全く参加できなくな
るため、煤煙を生成したり壁流の増加によって炭化水素
の排出を増加させるという問題点があった。特に、ピス
トンが加熱されていない冷始動時にはスモークの排出が
多いため、現在の大きな問題となっている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、燃焼
室に流入する吸入空気のタンブル流動を強化して、燃費
改善はもちろん出力も向上させ、冷始動時の排出ガスを
低減できるガソリン直接噴射エンジンを提供することに
ある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は、シリンダーヘ
ッド下面とシリンダー内のピストン上面によって形成さ
れる燃焼室と；前記シリンダーヘッド両側に形成される
吸、排気ポートに各々配置される吸、排気バルブと；前
記シリンダーヘッド下面に配置される点火プラグと；前
記燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料インジェクターと
を備える直接噴射式エンジンにおいて、前記燃焼室は、
吸気バルブ側傾斜面と排気バルブ側傾斜面によってペン
トルーフ形状になるシリンダーヘッドの底面と、上記吸
気バルブ側傾斜面及び排気バルブ側傾斜面に各々対応す
る吸気バルブ側傾斜上面と排気バルブ側傾斜上面によっ
てペントルーフ形状になったピストンの上側面の間に形
成され、前記ピストンの吸気バルブ側傾斜上面と排気バ
ルブ側傾斜上面によって形成されるペントルーフ形状の
突出部分に、中央部分で若干排気側に傾いた状態で吸気
側に行くほど深くなる曲率を有する底面からなるボウル
が形成され、前記吸気ポートには、前記吸気ポートを上
側流路及び下側流路に分割するスプリットウォールをさ
らに含み、前記吸気ポートの下側流路の入口部には、前
記下側流路を選択的に開閉するバルブをさらに含むこと
を特徴とする。
【００１３】前記ボウルは台形であって、排気側は広く
形成し吸気側は狭く形成し、底面は、その中央部分がな
だらかに上側に突出した形態からなり、吸気側立上り部
分は垂直状態に形成し、点火プラグは、前記吸気ポート
側からボウルの上側に燃料を噴射できるように配置され
ることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を添付した
図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明による燃
焼室の構造を示したものであって、シリンダーヘッド２
とシリンダーブロック４によってエンジン本体が構成さ
れ、シリンダーブロック４のシリンダーボア６にはピス
トン８が設けられる。シリンダーヘッド２には燃料に点
火するための点火プラグ４６が取付けられる。
【００１５】シリンダーヘッド２の両側には吸気ポート
１０と排気ポート１２が形成されるが、その吸、排気ポ
ート１０、１２は吸、排気バルブ１４、１６の数によっ
て異なる。吸気ポート１０の下流側には上、下、中間部
にスプリットウォール１８（隔壁）が配置されて上、下
２個の流路２０、２２に分離され、下側流路２２の入口
側にはこの流路２２を開閉できるバルブ２４が設けら
れ、このバルブ２４は図示していないエンジン制御ユニ
ットで制御される駆動モーターによって作動する。
【００１６】バルブ２４はエンジンの運転条件に応じた
エンジン制御ユニットの制御によって開閉が行われる
が、稀薄燃焼運転の場合には前記バルブ２４が閉めら
れ、吸気は上側流路２０を通じてタンブル状態で燃焼室
２６に導入される。
【００１７】燃焼室２６は図１のように、シリンダーヘ
ッド２の底面とピストン８のヘッド上面の間に形成され
るが、具体的には、シリンダーヘッド２の底面にはシリ
ンダーの中心軸線（ＣＢ）と図示していないクランクシ
ャフトの軸線を含む仮想の平面（ＣＫ）を中心にして、
シリンダーヘッド２の下面が仮想平面（ＣＫ）の一方の
側に形成された吸気バルブ側傾斜面２８と、仮想平面
（ＣＫ）の他方の側に形成された排気バルブ側傾斜面３
０とが形成されてペントルーフ形状に構成される。
【００１８】また、ピストン８ヘッド上面は、吸気バル
ブ側傾斜面及び排気バルブ側傾斜面に各々対応する、吸
気バルブ側傾斜上面３２と排気バルブ側傾斜上面３４と
を有するペントルーフ形状に形成され、燃焼室２６は前
記シリンダーヘッド２の吸、排気バルブ側傾斜面２８、
３０とこれに対応するピストン８の吸、排気バルブ側傾
斜上面３２、３４の間に形成される。
【００１９】そして、シリンダーヘッド２の吸気ポート
１０側には燃料を燃焼室２６に供給するための燃料噴射
手段である燃料インジェクター３６が配置されており、
この燃料インジェクター３６は燃焼室２６内に向かって
燃料を直接燃焼室２６内に噴射するようになっている。
燃料インジェクター３６は図示していないンジン制御ユ
ニットによって制御されながら所定の噴射時点で燃料を
噴射する。
【００２０】図２及び図３に示す通り、ピストンヘッド
部の吸気バルブ側傾斜上面３２と排気バルブ側傾斜上面
３４からなるペントルーフ形状の突出部分３８にボウル
４０が形成されている。ボウル４０は、突出部分３８の
中央部分で若干排気側に傾いた状態に形成され、平面か
ら見て梯形状であって、幅の広い部分が排気側に位置
し、幅の狭い部分が吸気側に位置する。
【００２１】また、ボウル４０の底面４２は排気側から
吸気側になだらかに下向に凹入する曲面からなるが、全
体的に深く形成され、クランクシャフトの軸線を含む仮
想の平面（ＣＫ）部分で上側になだらかに突出する形態
に形成されている。
【００２２】仮想の平面部分（ＣＫ）で上側になだらか
に突出する形態は、突出の高さが目につくほどではな
く、排気側で一応小さい曲率で深く凹入した状態で、吸
気側に行くほどその深さがなだらかに深くなっていて、
吸気側端部の立上り部分４４は大略垂直状態に形成され
ている。
【００２３】ボウル４０の底面４２を形成したのは、排
気側でタンブル流動を早く誘導し、吸気側立上り部分４
４においてクランクシャフトの軸線を含む仮想の平面
（ＣＫ）上のシリンダーヘッド２上に配置されている点
火プラグ４６に強いタンブル流動を送るためである。
【００２４】また、ボウル４０を大略梯形に形成したの
は圧縮過程でタンブル流動が吸気側に流動しながらさら
に強く造成できるようにするためであり、また、スキー
ズ効果（ｓｑｕｅｅｚｅ ｅｆｆｅｃｔ）も共に得られ
るようにするためである。
【００２５】これにより、ピストン８が圧縮行程の終了
位置、つまり上死点に到達した時に図５に示すように、
ピストン８のボウル４０とシリンダー４の内壁及びシリ
ンダーヘッド２の下面によって囲まれ一つのコンパクト
な燃焼室２６が形成される。
【００２６】そして、ボウル４０の狭い部分に形成され
た２個の溝は吸気バルブ１０のポケット４８であり、こ
のポケット４８は吸気バルブの作動時、つまりオーバー
ラップ区間などで吸気バルブ１４とピストン８とが互い
に衝突するのを未然に防止するためのものである。
【００２７】本発明によれば、吸気のためにピストン８
が下降すれば、吸気が吸気ポート１０の上側ポート２０
を通過しながら所定の強いタンブルを保有したまま燃焼
室２６に導入される。この時に導入されるタンブル流動
はシリンダー内で強く回転し、回転の途中で圧縮のため
にピストン８が上昇すると、タンブル流動は圧縮されな
がらボウル４０に沿ってさらに強く回転する。
【００２８】そして、排気側のボウル４０の広い部分か
ら吸気側の深くて狭い部分に誘導されながら流れていた
タンブル流動は、狭い部分のために強く集中されると同
時に垂直に形成された立上り部分４４と衝突しながら急
上昇し、点火プラグ４６側にさらに大きな流動を発生す
る。
【００２９】このような強いタンブル流動が生成する圧
縮過程で吸気側に形成された燃料インジェクター３６か
ら噴射された燃料は、図５のように強いタンブル流動と
相互作用をしながらピストン８のボウル４０の底面４２
と衝突せずに強い吸気流動内で短時間で気化した後、点
火プラグ４６の周囲に層流状の混合気を形成しながら移
動する。点火プラグ４６側に移動した混合気は、点化プ
ラグ４６で点火され燃焼する。この時、燃料インジェク
ター３６から噴射される燃料は、ピストン８のボウル底
面４２と衝突が発生しないので急速に気化し、噴射され
る燃料の殆どが燃焼に参加できるようになる。
【００３０】また、ピストン８で強いタンブル流動を維
持するか、さらに流動を強めることにより、吸気ポート
１０でのタンブル生成が弱くても支障ないため、吸気ポ
ートでの強いタンブル生成によるポンピング損失を減ら
すことができる。
【００３１】本発明によってエンジンを試験した結果、
アイドル状態では２７％、１０００ＲＰＭでは１２％、
２０００ＲＰＭでは１６．１％、２５００ＲＰＭでは
７．６５％、３０００ＲＰＭでは１２％の燃費改善効果
が得られ、全体的には大略１２％の燃費向上効果が得ら
れた。全負荷性能もＭＰＩエンジンに対比して２０００
ＲＰＭでトルクが５％程度向上する結果が得られた。
【００３２】
【発明の効果】本発明によれば、タンブル流動を強く生
成すると同時に燃料インジェクターから噴射された燃料
がピストンのボウル面に衝突せずに圧縮空気上で気化す
ることにより、完全気化となった状態で燃焼が行われる
ので、従来のように煤煙を生成したり壁流が増加して炭
化水素の排出を増加させるなどの問題点を根本的に解決
することができる。また、冷始動時にも強いタンブルと
燃料の迅速な気化により、有害ガスの排出を最少化でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるエンジンの内部を模式的に示した
縦断面図である。
【図２】本発明に適用されるピストンの平面斜視図であ
る。
【図３】図２によるピストンの主要部断面図である。
【図４】図２によるピストンの平面図である。
【図５】本発明によるエンジンでの圧縮過程図である。
【図６】本発明によるエンジンでの燃料噴射過程図であ
る。
【図７】燃焼室内における混合気の流動状態図である。
【図８】日本国特開平４−１６６６１２の第１実施例の
エンジンを模式的に示した縦断面図及びピストンの平面
図である。
【図９】大韓民国特開９７−７０３４８１の第１実施例
のエンジンを模式的に示した縦断面図及びピストンの平
面図である。
【符号の説明】
２、２０８ シリンダーヘッド ４ シリンダーブロック ６ シリンダーボア ８、１００、２００ ピストン １０ 吸気ポート １２ 排気ポート １４ 吸気バルブ １６ 排気バルブ １８ スプリットウォール ２０ 上側流路 ２２ 下側流路 ２４ バルブ ２６、２０６ 燃焼室 ２８ 吸気バルブ側傾斜面 ３０ 排気バルブ側傾斜面 ３２ 吸気バルブ側傾斜上面 ３４ 排気バルブ側傾斜上面 ３６、１０４ 燃料インジェクター ３８ 突出部分 ４０、１０６、２０４ ボウル ４２ ボウルの底面 ４４ 吸気側立上り部分 ４６、６０、１０２ 点火プラグ ４８ 吸気バルブのポケット １０８ 案内溝 ２０２ ペントルーフ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｂ 31/00 Ｆ０２Ｂ 31/00 ３０１Ｃ ３０１Ｚ Ｆ０２Ｆ 1/42 Ｆ０２Ｆ 1/42 Ｅ Ｈ 3/26 3/26 Ａ Ｂ Ｃ Ｆ０２Ｐ 13/00 ３０１ Ｆ０２Ｐ 13/00 ３０１Ａ ３０２ ３０２Ｚ

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 シリンダーヘッド下面とシリンダー内の
    ピストン上面によって形成される燃焼室と；前記シリン
    ダーヘッド両側に形成される吸、排気ポートに各々配置
    される吸、排気バルブと；前記シリンダーヘッド下面に
    配置される点火プラグと；前記燃焼室内に直接燃料を噴
    射する燃料インジェクターとを備える直接噴射式エンジ
    ンにおいて、 前記燃焼室は、吸気バルブ側傾斜面と排気バルブ側傾斜
    面によってペントルーフ形状になるシリンダーヘッドの
    底面と、上記吸気バルブ側傾斜面及び排気バルブ側傾斜
    面に各々対応する吸気バルブ側傾斜上面と排気バルブ側
    傾斜上面によってペントルーフ形状になったピストンの
    上側面の間に形成され、 前記ピストンの吸気バルブ側傾斜上面と排気バルブ側傾
    斜上面によって形成されるペントルーフ形状の突出部分
    に、中央部分で若干排気側に傾いた状態で吸気側に行く
    ほど深くなる曲率を有する底面からなるボウルが形成さ
    れることを特徴とするガソリン直接噴射式エンジン。
  2. 【請求項２】 前記吸気ポートに配置され、前記吸気ポ
    ートを上側流路及び下側流路に分割するスプリットウォ
    ールをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のガ
    ソリン直接噴射式エンジン。
  3. 【請求項３】 前記吸気ポートの下側流路の入口部に配
    置され、前記下側流路を選択的に開閉するバルブをさら
    に含むことを特徴とする請求項２に記載のガソリン直接
    噴射式エンジン。
  4. 【請求項４】 前記ボウルの吸気側立上り部分は垂直状
    態に形成することを特徴とする、請求項１に記載のガソ
    リン直接噴射式エンジン。
  5. 【請求項５】 前記ボウルは台形であって、排気側は広
    く形成し吸気側は狭く形成することを特徴とする、請求
    項１に記載のガソリン直接噴射式エンジン。
  6. 【請求項６】 前記ボウルの底面は、その中央部分がな
    だらかに上側に突出した形態からなることを特徴とす
    る、請求項１に記載のガソリン直接噴射式エンジン。
  7. 【請求項７】 前記点火プラグは、前記吸気ポート側か
    らボウルの上側に燃料を噴射できるように配置されるこ
    とを特徴とする、請求項１に記載のガソリン直接噴射式
    エンジン。
  8. 【請求項８】 内部にシリンダーを備えるシリンダーブ
    ロック；前記シリンダーブロックの上部に結合され、そ
    の下部壁が第１傾斜面と第２傾斜面を含むシリンダーヘ
    ッド；前記シリンダーヘッドの第１傾斜面に形成される
    吸気ポートに配置される吸気バルブ；前記シリンダーヘ
    ッドの第２傾斜面に形成される排気ポートに配置される
    排気バルブ；前記シリンダーで上下に移動可能に配置さ
    れ、その上面が前記シリンダーヘッドの第１及び第２傾
    斜面の角と対応するように傾いた第１ピストン上面と第
    ２ピストン上面を有するピストン；前記シリンダーヘッ
    ドに取付けられる点火プラグ；前記第２ピストン上面か
    ら前記第１ピストン上面に延び、排気バルブ側から吸気
    バルブ側に行くほどその幅が狭くなるボウル；を含むこ
    とを特徴とするガソリン直接噴射式エンジン。
  9. 【請求項９】 前記吸気ポートに配置され、前記吸気ポ
    ートを上側流路及び下側流路に分割するスプリットウォ
    ールをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載のガ
    ソリン直接噴射式エンジン。
  10. 【請求項１０】 前記吸気ポートの下側流路の入口部に
    配置されて前記下側流路を選択的に開閉するバルブをさ
    らに含むことを特徴とする請求項９に記載のガソリン直
    接噴射式エンジン。
  11. 【請求項１１】 前記ボウルは排気バルブ側から吸気バ
    ルブ側に行くほどその深さが全体的に深くなるように形
    成されることを特徴とする請求項８に記載のガソリン直
    接噴射式エンジン。
  12. 【請求項１２】 前記ボウルの吸気バルブ側立上りは実
    質的に垂直状態に形成されることを特徴とする請求項８
    に記載のガソリン直接噴射式エンジン。
  13. 【請求項１３】 前記ピストン上面の吸気バルブ側に形
    成されたシリンダー形状のポケットをさらに含むことを
    特徴とする請求項８に記載のガソリン直接噴射式エンジ
    ン。
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