JP2003269176A - 筒内直噴エンジン - Google Patents
筒内直噴エンジンInfo
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- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
Abstract
て燃料噴射弁11から燃料を噴射し、この燃料噴射で形
成した混合気に対し点火プラグ12で火花点火する筒内
直噴エンジンにおいて、燃料噴霧について強いペネトレ
ーションを得て、指向性を高めると共に、キャビティ内
に濃度むらのない均質な混合気塊を形成する。 【解決手段】 底面4a、曲面4b、平面4cにより、
キャビティCを形成する。燃料噴射弁11は、それぞれ
が中実の噴霧を形成する複数の噴孔を備え、かつ、隣り
合う噴孔のなす角度が各噴孔からの噴霧角度と同等以下
に設定される。そして、これらの噴孔から噴射された複
数の噴霧が全体として中空円錐形状をなす。
Description
かつ火花点火式の筒内直噴エンジンに関する。
れるものがある。これは、ピストンの冠面に形成された
キャビティに向けて、燃焼室上部に配置した燃料噴射弁
から略中空円錐状に燃料を噴射し、この燃料噴射で形成
した混合気に対し点火プラグで火花点火するものであ
る。
と、この周壁面に滑らかに接続された底壁面と、この底
壁面に滑らかに接続された中央の略円錐状の隆起部とを
有しており、略中空円錐状に噴射された燃料の大部分は
前記周壁面に衝突した後、前記底壁面に沿って進行し、
次いで前記隆起部に沿って集中しながら上昇する。この
結果、前記隆起部の真上に配置された点火プラグの周囲
に混合気が集中して形成され、良好な成層燃焼を実現す
ることができる。
に燃料を噴射する燃料噴射弁としては、噴孔内部の燃料
流れに噴孔軸回りの旋回成分を付与しつつ噴射を行うい
わゆるスワール噴射弁が公知である。
般的に噴射方向における噴霧の貫徹力(ペネトレーショ
ン)が弱いので、噴射燃料の大部分をキャビティの周壁
面に衝突させるためには、筒内のガス流動を非常に小さ
なものとする必要が生じ、エンジン設計時の自由度が大
きく制約されるという問題点がある。
時の雰囲気圧力(背圧)によって噴霧形状が大きく変化
する特性を有しており、ピストン位置で筒内圧力が大き
く変化する圧縮行程中に噴射を行う場合、噴射時期によ
っては所望の中空円錐形状を維持できなくなる恐れがあ
るという問題点もある。
することを目的とする。
明では、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、
点火プラグとを備え、ピストン上に形成したキャビティ
へ向けて前記燃料噴射弁から燃料を噴射し、この燃料噴
射で形成した混合気に対し前記点火プラグで火花点火す
る筒内直噴エンジンにおいて、前記キャビティは、前記
燃料噴射弁からの噴霧が斜めに衝突する第1壁面と、こ
の第1壁面に連続する湾曲した第2壁面とを備え、前記
燃料噴射弁は、それぞれが中実の噴霧を形成する複数の
噴孔を備え、かつ、隣り合う噴孔のなす角度が各噴孔か
らの噴霧角度と同等以下に設定されていることを特徴と
する。
いて、前記噴孔は、所定の直径を有する円断面形状を有
しており、個々の噴孔がそれぞれ中実円錐形状の噴霧を
形成することを特徴とする。
において、前記第1壁面は、衝突した噴霧が進行する側
において前記噴孔の中心軸線と鈍角をなし、前記第2壁
面は、衝突後の噴霧進行方向に対し前記燃料噴射弁側に
湾曲していることを特徴とする。
において、前記第2壁面の端部における接線、あるいは
前記第2壁面に連続する第3壁面が、前記燃料噴射弁の
先端近傍を指向していることを特徴とする。
において、燃料噴射圧力が20MPa以上であることを
特徴とする。請求項6の発明では、請求項1〜5の発明
において、前記燃料噴射弁は、エンジンのシリンダ中心
軸近傍に先端が位置するよう配設され、前記複数の噴孔
は、これらの噴孔から噴射された複数の噴霧が全体とし
て中空円錐形状をなすよう配置されていることを特徴と
する。
において、前記燃料噴射弁は、エンジンのシリンダ周縁
部に先端が位置するよう配設され、前記複数の噴孔は、
これらの噴孔から噴射された複数の噴霧が全体として扇
形状をなすよう配置されていることを特徴とする。
において、前記第2壁面は、エンジンのシリンダ中心軸
方向からの平面視において前記燃料噴射弁の先端と前記
点火プラグの放電ギャップとを焦点とする楕円形状を有
していることを特徴とする。
を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグとを備え、ピスト
ン上に形成したキャビティへ向けて前記燃料噴射弁から
燃料を噴射し、この燃料噴射で形成した混合気に対し前
記点火プラグで火花点火する筒内直噴エンジンにおい
て、前記キャビティは、前記燃料噴射弁からの噴霧が斜
めに衝突する第1壁面と、この第1壁面に連続しかつ衝
突後の噴霧進行方向に対し前記燃料噴射弁側に湾曲した
第2壁面とを備え、前記燃料噴射弁は、それぞれが中実
の噴霧を形成する複数の噴孔を備えると共に、エンジン
のシリンダ中心軸近傍に先端が位置するよう配設され、
前記複数の噴孔は、これらの噴孔から噴射された複数の
噴霧が全体として中空円錐形状をなすよう配置されてい
ることを特徴とする。
ついて中実噴霧を用いることで、強いペネトレーション
を得、指向性を高め、筒内ガス流動の影響を受けがたく
することができる。このため、背圧の影響で噴霧形状が
変化せず、キャビティと噴霧との関係を安定させること
ができ、圧縮行程後半の高背圧下においても指向性の強
い安定した噴霧形状を形成できる。
り、隣り合う噴霧が接するか一部重なるため、複数噴霧
が全体として一定形状の噴霧を形成し、この噴霧には隙
間がなく、噴霧内部における燃料分布のむらも小さい。
よって、濃度むらのない均質な一塊の混合気場を安定し
て形成可能となる。以上のように、キャビティ内に均質
な混合気塊を形成することで、スモークの出ない、かつ
大量にEGRを導入しても安定した燃焼が得られるため
NOxの少ない成層燃焼を実現できる。
れぞれ中実円錐形状の噴霧を形成することで、噴霧の下
流側で隣り合う噴霧の間に隙間が生じるのを防止でき、
より濃度むらのない均質な混合気場を形成できる。
ィの第1壁面に鈍角に衝突させるため燃料壁流をなくす
ことができ、また、噴霧が湾曲した第2壁面により誘導
され、噴霧の噴射方向速度が旋回流速に変えられて、キ
ャビティ内で循環領域を形成する。これにより、燃料が
空気と混合しやすく濃度むらもできにくいため、キャビ
ティ内に均質な混合気場を形成できる。
ティ壁の端部が、燃料噴射弁の先端近傍を指向すること
により、噴霧の噴射方向速度が旋回流速に変わりやすく
なり、より均質性の高い成層混合気を実現できる。
20MPa以上に設定されることにより、低い燃料噴射
圧力においては噴射された燃料の液滴粒径が大きくなる
懸念があるホールノズルにおいても、粒径の小さい、す
なわちスモークの発生などのない噴霧を形成できる。
ンジンのシリンダ中心に設置される場合に最適な噴霧形
状を得ることができ、また、燃料噴射弁がエンジンのシ
リンダ中心に設置されることにより、ピストンキャビテ
ィ形状及び燃焼室全体の形状を燃料噴射弁の中心軸に対
しおおよそ対称とすることができ、S/V比が最小で、
均質燃焼時の火炎伝播を対称とできるため、耐ノッキン
グ性能に跳ね返りの出ない、すなわち出力や燃費に跳ね
返りの出ないエンジンとすることができる。
ンジンのシリンダ周縁部に設置される場合に最適な噴霧
形状を得ることができる。請求項8の発明によれば、燃
料噴射弁の先端と点火プラグの放電ギャップとを焦点と
する楕円形状の壁面を用いることにより、噴射された燃
料が点火プラグを中心とする成層混合気を形成し、安定
した火花点火成層燃焼を実現できる。
影響や背圧の影響を受けにくい噴霧が得られ、キャビテ
ィと噴霧との関係を安定させることができる。また、噴
霧全体の形状をシリンダ中心軸に対しおおよそ対称とす
ることができ、キャビティの形状及び燃焼室全体の形状
をシリンダ中心軸に対しおおよそ対称とすることも可能
となる。
くなるように複数の噴孔を設定しておけば、キャビティ
衝突後に噴霧同士の重なりが生じるので、キャビティ内
及びその上空に燃料濃度むらのない混合気場を形成する
ことができる。
に基づいて説明する。図1は本発明の第1実施形態を示
す筒内直噴エンジンの構成図である。
ダブロック3と、ピストン4とにより画成される。シリ
ンダヘッド2には燃焼室1に開口する吸気ポート5及び
排気ポート6が設けられ、吸気弁7及び排気弁8が装着
されると共に、これらを開閉動作させる吸気弁用カム9
及び排気弁用カム10が配置されている。
内に臨ませて、燃料噴射弁11と点火プラグ12とを配
置してある。ここでは特に、燃料噴射弁11をシリンダ
中心軸上に位置させ、これに近接させて点火プラグ12
を配置してある。燃料噴射弁11及び点火プラグ12の
作動はエンジンコントロールユニット13により制御さ
れる。
ャビティCが形成される。このキャビティCは、ピスト
ン4の中心に位置し中心部から周縁部に向かってやや下
向きに傾斜する底面4aと、この底面4aの周縁部に連
なり曲率を持つ曲面4bと、この曲面4bに連なり概ね
燃料噴射弁11の先端近傍を指向する平面4cとからな
る。キャビティCは燃焼室上方からの平面視では円形状
をなしており、底面4aと平面4cはそれぞれ円錐面の
一部となっている。
示す。噴射時期が比較的遅い(噴射時のピストン位置が
比較的高い)場合、燃料噴射弁11からの噴霧は主に底
面4a(第1壁面)と衝突し、底面4aに沿ってキャビ
ティCの半径方向外向きへ進行する。換言すると、衝突
後の噴霧が半径方向外向きへ進むように噴霧と底面4a
との衝突角度が設定されている。尚、噴射開始から終了
までの全期間において噴霧を底面4aに衝突させること
が望ましいが、噴射期間中におけるピストン位置変化量
が大きい場合は噴射前半の噴霧を曲面4bに衝突させ、
噴射後半の噴霧を底面4aに衝突させるようにしても良
い。衝突後の噴霧は、燃料噴射弁11側(すなわち燃焼
室上方)へ湾曲する曲面4b(第2壁面)によって進行
方向がキャビティCの軸方向上向きに曲げられ、平面4
c(第3壁面)によって燃料噴射弁11の先端の方向へ
誘導される。この結果、キャビティCの上空に噴霧の循
環領域が形成される。この噴霧循環流に周囲の空気が巻
き込まれ、燃料と空気との混合が進む。尚、平面4cを
円筒面あるいは僅かに上方が広がった逆円錐面とするこ
とも可能であり、その場合は噴霧循環領域が若干大きく
なる。また、平面4cを持たないキャビティ形状とする
ことも可能である。
形状と噴霧挙動の関係を示す。噴射時期が比較的早い
(噴射時のピストン位置が比較的低い)場合、燃料噴射
弁11からの噴霧は主に平面4c(この場合の第1壁
面)と衝突し、平面4cに沿ってキャビティCの軸方向
下向きへ進行する。換言すると、衝突後の噴霧が軸方向
下向きへ進むように噴霧と平面4cとの衝突角度が設定
されている。尚、噴射期間中におけるピストン位置変化
量が大きい場合は噴射前半の噴霧を平面4cに衝突さ
せ、噴射後半の噴霧を曲面4bに衝突させるようにして
も良い。衝突後の噴霧は、曲面4b(第2壁面)によっ
て進行方向がキャビティCの半径方向内向きに曲げら
れ、底面4aに沿って進行した後、キャビティCの中心
部から上方へ上昇する。この結果、キャビティCの上空
に噴霧の循環領域が形成され、燃料と空気との混合が進
む。
のB−B断面図)、図5に図4のA矢視図を示す。燃料
噴射弁11はホールノズルであり、その中心軸の回りに
等角度間隔で複数の噴孔11aが設けられている。各噴
孔11aは、所定の直径を有する円断面形状を有し、各
噴孔11aの軸線は斜め外側を指向して、全体として、
図示の円錐角βを有している。
個々の噴孔11aはそれぞれ棒状に近い中実円錐形状の
噴霧を形成する。そして、これらの噴孔11aから噴射
された複数の噴霧が全体として中空円錐形状をなす。
は、単一の噴孔11aからの噴霧角度θと同等かそれ以
下に設定されている。例えば、広安ら(日本機械学会論
文集(第2部)、621.436.013.4 )によると、ホールノ
ズル噴射弁の噴霧角θは20度程度であるが、噴孔数を
10個、全体噴霧の傘角(図中β)を60度に設定する
と、噴霧同士のなす角度αは18度となり、隣り合う噴
霧同士が重なり合うことになる。
霧を用いることで、強いペネトレーションを得、指向性
を高め、筒内ガス流動の影響を受けがたくすることがで
きる。
に隙間が存在するため、スワール噴射弁による噴霧のよ
うに背圧の影響を受ける(背圧によって噴霧形状が変化
する)ことがなく、どのような時期に噴射を行っても噴
霧全体の形状が一定形状(中空円錐形状)となる。
突位置、衝突角度等)を安定させることができ、噴霧循
環流を安定して形成することができる。また、噴孔角度
を前述のように設定しているため、噴霧の先端側では隣
り合う噴霧が接するか一部重なるようになる。このた
め、噴霧全体の断面形状は切れ目のない円環状となり、
円周方向の燃料分布むらも小さくなる。よって、キャビ
ティCの上空に形成される混合気場をシリンダ円周方向
に燃料濃度むらのない均質なものとすることができる。
噴霧はそれまでの角度(噴霧角度θ)より大きな角度で
広がりながら進行するので、この衝突後の広がり角度ま
で考慮すれば、隣り合う噴孔11aのなす角度αを単一
の噴孔11aからの噴霧角度θより若干大きく設定しつ
つキャビティCの上空に燃料濃度むらのない混合気場を
形成することも可能である。
ビティ形状を示す。キャビティCは、燃料噴射弁11を
中心とした円形状となる。噴射された噴霧は、図2に示
したようにキャビティ形状により循環領域を形成し、燃
料噴射弁11を中心とした均一な成層混合気を形成す
る。燃料噴射弁11と点火プラグ12がともにおおよそ
燃焼室の中心にある場合は、本発明の効果が十分に得ら
れる。
ビティ形状の他の例を示す。エンジンレイアウトの制約
により、燃料噴射弁11と点火プラグ12とを十分に近
づけられない場合において、上方から見たキャビティC
の形状は、燃料噴射弁11(その先端)と点火プラグ1
2(その放電ギャップ)とを焦点とする楕円形状とする
のが望ましい。燃料噴射弁11より噴射された噴霧は、
図2に示したようにキャビティ形状により循環領域を形
成し、均一な成層混合気を形成するが、点火プラグ12
を楕円の焦点とすることにより、噴射された噴霧がキャ
ビティ形状により点火プラグ12付近に集められ、成層
混合気が点火プラグ12を中心とする成層混合気とな
る。
る。図9は本発明の第2実施形態を示す筒内直噴エンジ
ンの構成図である。本実施形態は、燃料噴射弁11が燃
焼室1側方かつ吸気ポート5の下方に配置されるような
エンジンに適用した例である。
に、底面4a(第1壁面)、この底面4aにつながり曲
率を持つ曲面4b(第2壁面)、この曲面4bにつなが
りおおむね噴射方向を指向する平面4c(第3壁面)か
らなるキャビティCを持つ。
ィ形状と噴霧挙動の関係を示す。第1実施形態と同様、
噴射された噴霧は渦のように旋回する流速を持つように
なり、この旋回流速により周囲の空気を巻き込み、キャ
ビティ上空に生成される混合気は濃度むらのない均質な
混合気となる。
方及び側方より見た図を示す。第1実施形態と同様、燃
料噴射弁11はホールノズルであり、圧縮行程後半の高
背圧下においても指向性の強い安定した噴霧形状を形成
できる。燃料噴射弁11上方より見て等角度間隔に複数
の噴孔が設けられ、これにより扇形状の噴霧が形成され
る。このとき、ある1つの噴孔より噴射される噴霧の角
度(図中θ)と比較して、隣り合う噴霧同士のなす角度
(図中α)を、同等かそれ以下に設定する。これによ
り、隣り合う噴霧同士が重なり合うことになる。
方より見たピストンキャビティ形状を示す。キャビティ
Cは円の一部曲線を利用した形状となる。これにより、
上方より見て扇形状に広がった噴霧が点火プラグ12周
辺に集められる。
トンキャビティ形状を示す。キャビティCは上方から見
て、燃料噴射弁11と点火プラグ12とを焦点とする楕
円形状の一部曲線を利用した形状となる。噴射された噴
霧がキャビティ形状により点火プラグ12付近に集めら
れ、成層混合気が点火プラグ12を中心とする成層混合
気となる。この場合、図12に示すピストンキャビティ
と比較して、成層混合気の濃度が濃くなり、特に低負荷
において燃費の良い安定した成層燃焼が実現できる。
ンの構成図
示す図
示す図
断面図)
を示す図
ンの構成図
を示す図
状を示す図
図
Claims (9)
- 【請求項1】燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁
と、点火プラグとを備え、ピストン上に形成したキャビ
ティへ向けて前記燃料噴射弁から燃料を噴射し、この燃
料噴射で形成した混合気に対し前記点火プラグで火花点
火する筒内直噴エンジンにおいて、 前記キャビティは、前記燃料噴射弁からの噴霧が斜めに
衝突する第1壁面と、この第1壁面に連続する湾曲した
第2壁面とを備え、 前記燃料噴射弁は、それぞれが中実の噴霧を形成する複
数の噴孔を備え、かつ、隣り合う噴孔のなす角度が各噴
孔からの噴霧角度と同等以下に設定されていることを特
徴とする筒内直噴エンジン。 - 【請求項2】前記噴孔は、所定の直径を有する円断面形
状を有しており、個々の噴孔がそれぞれ中実円錐形状の
噴霧を形成することを特徴とする請求項1記載の筒内直
噴エンジン。 - 【請求項3】前記第1壁面は、衝突した噴霧が進行する
側において前記噴孔の中心軸線と鈍角をなし、前記第2
壁面は、衝突後の噴霧進行方向に対し前記燃料噴射弁側
に湾曲していることを特徴とする請求項1又は請求項2
記載の筒内直噴エンジン。 - 【請求項4】前記第2壁面の端部における接線、あるい
は前記第2壁面に連続する第3壁面が、前記燃料噴射弁
の先端近傍を指向していることを特徴とする請求項1〜
請求項3のいずれか1つに記載の筒内直噴エンジン。 - 【請求項5】燃料噴射圧力が20MPa以上であること
を特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1つに記載
の筒内直噴エンジン。 - 【請求項6】前記燃料噴射弁は、エンジンのシリンダ中
心軸近傍に先端が位置するよう配設され、前記複数の噴
孔は、これらの噴孔から噴射された複数の噴霧が全体と
して中空円錐形状をなすよう配置されていることを特徴
とする請求項1〜請求項5のいずれか1つに記載の筒内
直噴エンジン。 - 【請求項7】前記燃料噴射弁は、エンジンのシリンダ周
縁部に先端が位置するよう配設され、前記複数の噴孔
は、これらの噴孔から噴射された複数の噴霧が全体とし
て扇形状をなすよう配置されていることを特徴とする請
求項1〜請求項5のいずれか1つに記載の筒内直噴エン
ジン。 - 【請求項8】前記第2壁面は、エンジンのシリンダ中心
軸方向からの平面視において前記燃料噴射弁の先端と前
記点火プラグの放電ギャップとを焦点とする楕円形状を
有していることを特徴とする請求項1〜請求項7のいず
れか1つに記載の筒内直噴エンジン。 - 【請求項9】燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁
と、点火プラグとを備え、ピストン上に形成したキャビ
ティへ向けて前記燃料噴射弁から燃料を噴射し、この燃
料噴射で形成した混合気に対し前記点火プラグで火花点
火する筒内直噴エンジンにおいて、 前記キャビティは、前記燃料噴射弁からの噴霧が斜めに
衝突する第1壁面と、この第1壁面に連続しかつ衝突後
の噴霧進行方向に対し前記燃料噴射弁側に湾曲した第2
壁面とを備え、 前記燃料噴射弁は、それぞれが中実の噴霧を形成する複
数の噴孔を備えると共に、エンジンのシリンダ中心軸近
傍に先端が位置するよう配設され、前記複数の噴孔は、
これらの噴孔から噴射された複数の噴霧が全体として中
空円錐形状をなすよう配置されていることを特徴とする
筒内直噴エンジン。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002380694A JP2003269176A (ja) | 2002-01-09 | 2002-12-27 | 筒内直噴エンジン |
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---|---|---|---|
JP2002002453 | 2002-01-09 | ||
JP2002-2453 | 2002-01-09 | ||
JP2002380694A JP2003269176A (ja) | 2002-01-09 | 2002-12-27 | 筒内直噴エンジン |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003269176A true JP2003269176A (ja) | 2003-09-25 |
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Family Applications (1)
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---|---|
JP (1) | JP2003269176A (ja) |
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