JP2004011441A - Cylinder direct injection type internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピストン往復軸線上又はその近傍に燃料噴射弁及び点火プラグを配置したセンターインジェクション型の筒内直接噴射式内燃機関に関し、特に、ピストン冠面に凹設されるキャビティ形状の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
筒内直接噴射式内燃機関として、特開2000−265841号公報には、ピストン往復軸線上又はその近傍に燃料噴射弁及び点火プラグを配置したセンターインジェクション型のエンジンが開示されている。ピストン冠面には、ピストン往復軸線に対してほぼ軸対称形状をなす深皿部(内側キャビティ)が凹設されるとともに、この深皿部の周囲に複数の浅皿部(外側キャビティ)が間欠的に凹設されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記の浅皿部は、吸・排気弁との干渉を回避するバルブリセス形状をなしており、ピストン往復軸線に対して軸対称形状となっていない。このため、浅皿部を利用して成層燃焼を行う場合に、浅皿部へ噴射された燃料噴霧が隣り合う浅皿部の間からこぼれ、燃費の悪化や未燃HCの増加などを招くおそれがある。また、深皿部を利用して成層燃焼を行う場合にも、深皿部の側壁がなだらかに浅皿部へ連なっているため、深皿部へ噴射された燃料噴霧が深皿部から浅皿部へこぼれ易く、やはり燃費の悪化や未燃HCの増加などが懸念される。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明の筒内直接噴射式内燃機関では、ピストン往復軸線上又はその近傍に燃料噴射弁及び点火プラグが配置され、燃料噴射弁から燃焼室内に直接的に燃料が噴射され、この燃料噴霧で形成された混合気が火花点火プラグにより火花点火される。ピストン冠面には、ピストン往復軸線に対してほぼ軸回転体形状をなす外側キャビティが形成され、この外側キャビティには、上記ピストン往復軸線に対してほぼ軸回転体形状をなす内側キャビティが凹設される。典型的には、成層高負荷運転条件では外側キャビティを利用して成層燃焼を実現し、成層低負荷運転条件では内側キャビティを利用して成層燃焼を実現する。
【0005】
【発明の効果】
外側キャビティ及び内側キャビティともにピストン往復軸線に対してほぼ軸回転体形状をなしているため、主として外側キャビティを利用して成層燃焼を行う場合と、主として内側キャビティを利用して成層燃焼を行う場合と、のいずれの場合であっても、燃費が良く未燃HCの排出が充分に抑制された成層燃焼を実現できる。
【0006】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【0007】
図1は、本発明に係る筒内直接噴射式内燃機関を簡略的に示している。燃焼室1は、シリンダヘッド2と、シリンダブロック3と、このシリンダブロック3のシリンダ3a内に嵌合するピストン4と、により画成される。シリンダヘッド2には燃焼室1へ開口する吸気ポート5及び排気ポート6が形成されている。これらのポート6,7を開閉する吸気弁7及び排気弁8は、吸気弁用カム9及び排気弁用カム10を用いて駆動される。
【0008】
シリンダヘッド2には、ピストン4の冠面15へ向けて燃料を燃焼室1内へ直接的に噴射する燃料噴射弁11と、燃焼室1内の混合気を火花点火する点火プラグ12とが、燃焼室1に臨ませた状態で、シリンダ中心軸線すなわちピストン往復軸線14上又はその近傍に、互いに近接して配置されている。ここでは特に、燃料噴射弁11をピストン往復軸線14上に配置し、この燃料噴射弁11に近接して点火プラグ12を配置している。燃料噴射弁11は、圧縮行程後半における筒内圧力上昇時にも噴霧形状の変化が小さくなるように、指向性の強いマルチホール型の噴射弁を用いている。これら燃料噴射弁11及び点火プラグ12の動作はエンジンコントロールユニット13により制御される。
【0009】
ピストン冠面15は、シリンダヘッド2に形成されるペントルーフ型の燃焼室1の頂面の形状に沿うように、上に凸な(仮想)三角錐状すなわちペントルーフ形状をなしている。このピストン冠面15には、その中央部を切り欠くように、外側キャビティ16が凹設され、この外側キャビティ16の表面に、更に内側キャビティ17が凹設されている。即ち、ピストン冠面15に2つのキャビティ16,17が同心状に形成された二重キャビティ構造をなしている。
【0010】
外側キャビティ16は、ピストン往復軸線14に対してほぼ軸回転体形状(軸対称形状,トロイダル形状)をなしている。但し、この外側キャビティ16が凹設されるピストン冠面15が軸回転体形状ではないために、図2に示すように、ピストン冠面15を上(燃焼噴射弁側)から見た場合、その開口部16kがピストン往復軸線14を中心とする完全な真円形ではない。内側キャビティ17は、ピストン往復軸線14に対して軸回転体形状(軸対称形状,トロイダル形状)をなしており、図2に示すように、ピストン冠面15を上(燃焼噴射弁側)から見た場合、その開口部17kがピストン往復軸線14を中心とする真円形をなしている。
【0011】
図3は、成層高負荷運転条件における噴霧挙動を簡略的に示している。外側キャビティ16の壁面は、第1外側壁面16aと、この第1外側壁面16aの外周側に連続する第2外側壁面16bと、この第2外側壁面16bに連続する第3外側壁面16cと、に分けることができる。第1外側壁面16aは、中央のピストン往復軸線14に向かうほど高くなる傾斜面となっており、全体として上に凸な仮想円錐形状をなしている。この第1外側壁面16aの中央部を切り欠くように上記の内側キャビティ17が凹設されている。第2外側壁面16bは、第3外側壁面16cへ向けて滑らかに湾曲する外側湾曲面を含み、かつ、一部がピストン往復軸線14にほぼ直交する平坦面16dとなっている。第3外側壁面16cは、外側キャビティ16全体の外壁面を構成するもので、ピストン上方(図3の上方)へ向かうほどピストン往復軸線14に近づく方向へ傾斜するリエントラント形状をなしている。
【0012】
燃料噴射弁11から噴射された燃料噴霧は、ピストン往復軸線14を中心とする下に凸な中空円錐形状をなしている。図3(a)に示すように、成層高負荷運転条件での燃料噴霧F1は、第1外側壁面16aに斜めに衝突するように設定されている。この噴霧F1の(中心)噴射方向F2と、第1外側壁面16aの噴霧進行方向側(噴霧が衝突する部分よりも径方向外側)の部分と、のなす角度θ1が、鈍角(90°〜180°)に設定されている。従って、燃料噴霧F1は緩い角度で第1外側壁面16aに衝突することとなり、衝突後の燃料噴霧F1は、不用意に飛散することなく、この第1外側壁面16aに沿うようにして外周側すなわち第2外側壁面16bの側へ良好に誘導される。この第2外側壁面16bの外側湾曲面により、噴霧は第3外側壁面16cに沿うように良好に誘導される。
【0013】
この第3外側壁面16cは、噴霧方向F2に近い角度で傾斜する傾斜面となっている。詳しくは、第3外側壁面16cの延長線16c’と噴射方向F2の平行線F2’とのなす角度θ2が充分に小さい。但し、ピストン往復軸線14に対する第3外側壁面16cのリエントラント角度dはピストン往復軸線14に対する噴射方向F2の角度よりも小さい。このような第3外側壁面16cによって燃料噴霧は元の噴射された方向へ向かうように良好に誘導される。結果として、図3(b)及び(c)に示すように、ピストン往復軸線14に沿う縦方向に渦のように旋回する旋回流F3が生成される。この旋回流F3により周囲の空気が巻き込まれ、外側キャビティ16の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塊K1となる。
【0014】
図4は、成層低負荷運転条件における噴霧挙動を簡略的に示している。内側キャビティ17の壁面は、第1内側壁面17aと、この第1内側壁面17aの外周側に連続する第2内側壁面17bと、この第2内側壁面17bに連続する第3内側壁面17cと、に分けることができる。第1内側壁面17aは、中央のピストン往復軸線14に向かうほど高くなる傾斜面となっており、全体として上に凸な円錐形状をなしている。第2内側壁面17bは、第3内側壁面17cへ向けて滑らかに湾曲する内側湾曲面をなしている。第3内側壁面17cは、内側キャビティ17全体の外壁面を構成するもので、ピストン上方(図4の上方)へ向かうほどピストン往復軸線14に近づく方向へ傾斜するリエントラント形状をなしている。
【0015】
図4(a)に示すように、成層低負荷運転条件での燃料噴霧F4は、第1内側壁面17aに斜めに衝突するように設定されている。この噴霧F4の(中心)噴射方向F5と、第1内側壁面17aの噴霧進行方向側(噴霧が衝突する部分よりも径方向外側)の部分と、のなす角度θ3が、鈍角(90°〜180°)に設定されている。従って、燃料噴霧F4は緩い角度で第1内側壁面17aに衝突することとなり、衝突後の燃料噴霧F4は、不用意に飛散することなく、この第1内側壁面17aに沿うようにして外周側すなわち第2内側壁面17bの側へ良好に誘導される。また、滑らかに湾曲する第2内側壁面17bにより、噴霧は第3内側壁面17cに沿うように良好に誘導される。
【0016】
この第3内側壁面17cは、噴射方向F5に近い角度で傾斜する傾斜面となっている。詳しくは、第3内側壁面17cの延長線17c’と噴射方向F5の平行線F5’とのなす角度θ4が充分に小さい。但し、ピストン往復軸線14に対する第3内側壁面17cのリエントラント角度eはピストン往復軸線14に対する噴射方向F5の角度よりも小さい。このような第3内側壁面17cによって燃料噴霧は元の噴射された方向へ向かうように良好に誘導される。結果として、図4(b)及び(c)に示すように、ピストン往復軸線14に沿う縦方向に渦のように旋回する旋回流F6が生成される。この旋回流F6により周囲の空気が巻き込まれ、キャビティ17の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塊K2となる。この混合気塊K2は、図3に示した外側キャビティ16により形成される混合気塊K1よりも充分に小さい。
【0017】
高負荷運転領域に比して噴射時期が遅角側に設定されるため、低負荷運転領域と高負荷運転領域とで噴射方向F2,F4が同一であっても、上述したように高負荷域では噴霧が第1外側壁面16aに衝突し、低負荷域では噴霧が第1内側壁面17aに衝突することとなり、負荷に応じた外側キャビティ16と内側キャビティ17との使い分けが可能となる。
【0018】
例えば特開2000−303936号公報に示されるような噴射方向を変更可能な噴射弁を用いる場合、好ましくは、燃料噴射方向を、成層高負荷領域ではシリンダ3aに近い外側キャビティ16を指向し、成層低負荷領域では中心に近い内側キャビティ17を指向するように、その噴射方向を可変制御する。具体的には、ピストン往復軸線14に対する噴射方向の角度を、成層高負荷域では相対的に大きくし、成層低負荷域では相対的に小さくする。
【0019】
図5を参照して、ピストンの具体的な形状及びそれに伴う作用効果について更に詳述する。
【0020】
ピストン冠面15に対する内側キャビティ17の深さbは、ピストン冠面15に対する外側キャビティ16の深さaよりも大きい。これにより、噴射時期が遅角側に設定される低負荷運転領域において、冠面壁流を有効に抑制・防止することができる。
【0021】
内側キャビティ17自身の深さcは、外側キャビティ16自身の(最も浅い部分の)深さaよりも小さい。これにより、高負荷運転領域において、噴霧が内側キャビティ17により遮られることなく良好に外側キャビティ16ヘ導入される。
【0022】
外側キャビティ16の第3外側壁面16c及び内側キャビティ17の第3内側壁面17c共に、ピストン上方へ向かうほどピストン往復軸線14へ近づくリエントラント形状をなしているため、キャビティ16,17内に良好に混合気を封じ込めることができる。特に、内側キャビティ17のリエントラント角度eは、外側キャビティ16のリエントラント角度dよりも大きく設定されている。これにより、内側キャビティ17からの燃料こぼれを積極的に防止し、アイドルなど極低負荷運転領域においても安定した成層燃焼を実現できる。
【0023】
内側キャビティ17の第1内側壁面17aとピストン往復軸線14の直交面とのなす角度gは、外側キャビティ16の第3外側壁面16cとピストン往復軸線14の直交面とのなす角度fよりも小さい。これにより、特に冠面壁流が増加し易い高負荷成層運転領域において、冠面壁流を有効に抑制・防止することができる。なお、後述する第2実施例に示すように、内側キャビティ17の傾斜角度gをゼロとし、第1内側壁面17aをピストン往復軸線14に直交する平坦面としても良い。
【0024】
第2内側壁面17bつまり内側湾曲面の曲率半径Riは、第2外側壁面16bの外側湾曲面の曲率半径Rhよりも小さい。これにより、内側キャビティ17で生成される成層混合気塊K2がコンパクトなものとなり、低負荷運転領域における成層燃焼が安定化する。
【0025】
図6は、第2実施例に係るピストン冠面形状を概略的に示している。なお、第1実施例と実質的に同じ構成には同じ参照符号を付して重複する説明を省略する。この第2実施例では、内側キャビティ17により生成される混合気塊が、第1実施例よりも小さい。すなわち、低負荷成層運転領域の中でも、アイドルなど極低負荷運転領域における安定性を高めるように、そのピストン形状が設定されている。詳しくは、内側キャビティ17の第1内側壁面17a’が、ピストン往復軸線14に直交する平坦面となっている。ピストン冠面15に対する内側キャビティの深さb’は、ピストン冠面15に対する外側キャビティ16の深さa’よりも小さい。また、ピストン往復軸線14に対する第3内側壁面17cのリエントラント角度は、ピストン往復軸線14に対する第3外側壁面16cのリエントラント角度よりも小さいか同等に設定されている。これにより、低負荷から中負荷で内側キャビティ17内の混合気が過濃となるのを防ぎ、スモークや未燃HCの発生を有効に抑制・防止することができる。
【0026】
上記実施例から把握し得る本発明の技術的思想について、その効果とともに列記する。
【0027】
(1)ピストン往復軸線上又はその近傍に燃料噴射弁と点火プラグとを配置したセンターインジェクション型の筒内直接噴射式内燃機関において、上記ピストン往復軸線に対してほぼ軸回転体形状をなす外側キャビティをピストン冠面に凹設し、この外側キャビティに、同じくピストン往復軸線に対してほぼ軸回転体形状をなす内側キャビティを凹設している。このような二重キャビティ構造とし、例えば低負荷域では内側キャビティを利用して成層燃焼を実現し、高負荷域では外側キャビティを利用して成層燃焼を実現することにより、低負荷域及び高負荷域を含む幅広い負荷範囲において、安定して燃費が良く未燃HCが少ない成層燃焼が実現できる。
【0028】
(2)外側キャビティの壁面に、燃料噴霧が斜めに衝突する第1外側壁面と、この第1外側壁面の外周側に連続する第2外側壁面と、この第2外側壁面に連続する第3外側壁面と、を設け、上記第2外側壁面の一部又は全てを、上記第3外側壁面へ向けて滑らかに湾曲する外側湾曲面とし、上記第3外側壁面を、上記燃料噴霧の噴射方向に近い角度で傾斜する傾斜面とする。これにより、例えば成層高負荷域で噴射され、第1外側壁面に衝突した燃料が、第2外側壁面の外側湾曲面及び第3外側壁面に誘導されて、外側キャビティ及びその上空を縦方向に旋回・循環する旋回流が生成される。これにより、燃料が空気と混合し易く、濃度むらもでき難いため、外側キャビティ内に均質な混合気場(塊)を形成することができる。従って、スモークの排出が抑制及び防止され、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にNOxの排出も少ない良好な成層燃焼が実現できる。また、内側キャビティに比して容積の大きな外側キャビティにより成層混合気塊を形成するため、比較的負荷の大きい高負荷運転領域において安定した燃焼を実現できる。
【0029】
(3)内側キャビティの壁面に、燃料噴霧が斜めに衝突する第1内側壁面と、この第1内側壁面の外周側に連続する第2内側壁面と、この第2内側壁面に連続する第3内側壁面と、を設け、上記第2内側壁面の一部又は全てを、上記第3内側壁面へ向けて滑らかに湾曲する内側湾曲面とし、上記第3内側壁面を、上記燃料噴霧の噴射方向に近い角度で傾斜する傾斜面とする。これにより、例えば成層低負荷域で噴射され、第1内側壁面に衝突した燃料が、第2内側壁面の内側湾曲面及び第3内側壁面に誘導されて、内側キャビティ及びその上空を縦方向に旋回・循環する旋回流が生成される。これにより、燃料が空気と混合し易く、濃度むらもでき難いため、内側キャビティ内に均質な混合気場(塊)を形成することができる。従って、スモークの排出が抑制及び防止され、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にNOxの排出も少ない良好な成層燃焼が実現できる。また、外側キャビティに比して容積の小さい内側キャビティにより成層混合気塊を形成するため、比較的低負荷運転領域において安定した燃焼を実現できる。
【0030】
(4)内側湾曲面の曲率半径を外側湾曲面の曲率半径よりも小さくする。これにより、内側キャビティを利用する低負荷成層条件において、小さな混合気塊を形成し易くなり、安定した成層燃焼を実現できる。
【0031】
(5)上記第3外側壁面を、ピストン上方へ向かうほどピストン往復軸線に近づくリエントラント形状とする。これにより、外側キャビティに噴射された燃料を良好に封じ込めることができ、未燃HCが少なく燃費の良い良好な成層燃焼を実現できる。
【0032】
(6)上記第3内側壁面を、ピストン上方へ向かうほどピストン往復軸線に近づくリエントラント形状とする。これにより、内側キャビティに噴射された燃料を良好に封じ込めることができ、未燃HCが少なく燃費の良い成層燃焼を実現できる。
【0033】
(7)上記ピストン往復軸線に対する第3内側壁面の傾きを、ピストン往復軸線に対する第3外側壁面の傾きよりも大きくする。これにより、特に内側キャビティ内から燃料噴霧がこぼれることをより確実に防止し、アイドルなど極低負荷において安定した成層燃焼を実現できる。
【0034】
(8)上記ピストン往復軸線に対する第3内側壁面の傾きを、ピストン往復軸線に対する第3外側壁面の傾きよりも小さくする。これにより、内側キャビティ内の混合気が過濃となるのを防ぎ、スモークおよび未燃HCの発生を抑制・防止することができる。
【0035】
(9)上記ピストン冠面に対する内側キャビティの深さを、ピストン冠面に対する外側キャビティの深さよりも小さくする。これにより、特に内側キャビティ内に形成される成層混合気塊がコンパクトなものとなり、アイドルなど極低負荷域において安定した成層燃焼を実現できる。
【0036】
(10)上記ピストン冠面に対する内側キャビティの深さを、ピストン冠面に対する外側キャビティの深さよりも大きくする。この場合、内側キャビティ内に形成される成層混合気塊が比較的大きなものとなり、低負荷域から中負荷域において安定した成層燃焼を実現できる。
【0037】
(11)上記内側キャビティ自身の深さを、外側キャビティ自身の深さよりも小さくする。これにより、内側キャビティで形成される混合気塊が相対的に小さく、外側キャビティで形成される混合気塊が相対的に大きくなり、内側キャビティを利用する低負荷域と、外側キャビティを利用する高負荷域の双方で、安定した成層燃焼を実現できる。
【0038】
(12)上記第1外側壁面を、ピストン往復軸線へ向かうほど高くなる傾斜面とする。これにより、第1外側壁面に衝突する燃料噴霧の運動量をやわらげて壁流を防止し、スモークの生成や未燃HCの増加を低減・防止することができる。
【0039】
(13)上記第1内側壁面を、ピストン往復軸線へ向かうほど高くなる傾斜面とする。これにより、第1内側壁面に衝突する燃料噴霧の運動量をやわらげて壁流を防止し、スモークの生成や未燃HCの増加を低減・防止することができる。
【0040】
(14)上記ピストン往復軸線の直交面に対する上記第1内側壁面の傾きを、上記直交面に対する上記第1外側壁面の傾きよりも小さくする。これにより、特に外側キャビティの壁流が確実に低減・防止され、噴射量が多くスモークや未燃HCが増加し易い成層高負荷運転領域において、外側キャビティを利用してスモークの生成や未燃HCの増加を有効に低減・防止することができる。
【0041】
(15)上記第1内側壁面を、ほぼピストン往復軸線に直交する平坦面とすることにより、もともとスモークや未燃HCの排出が少ないアイドルなどの極低負荷成層運転領域における燃焼安定性を確保しつつ、加工性の向上及び冷却損失の低減化を図ることができる。
【0042】
(16)上記燃料噴射弁をマルチホール噴射弁とすると、圧縮行程後半の筒内圧力が高くなった場合にも、噴霧の指向性が強く噴霧旋回流が生成し易いために、均一性の高い成層混合気塊を生成し易い。
【0043】
(17)圧縮行程後期に燃料が噴射される成層燃焼を行う場合、低負荷運転条件における噴射時期よりも高負荷運転条件における噴射時期を進角する。これにより、低負荷運転条件及び高負荷運転条件の双方で適切な大きさの混合気塊を形成することができ、低負荷及び高負荷の双方で安定した成層燃焼を実現できる。
【0044】
(18)上記燃料噴射弁が噴射方向を変更できる場合、ピストン往復軸線に対する噴射方向の角度を、低負荷条件のときには内側キャビティを指向するように相対的に大きくし、高負荷条件のときには外側キャビティを指向するように相対的に小さくする。
【0045】
(19)このように、燃料噴射弁の噴射方向が、高負荷運転条件では外側キャビティを指向し、低負荷運転条件では内側キャビティを指向することにより、低負荷運転条件においては内側キャビティにより比較的小さな混合気塊を形成し、高負荷運転条件においては外側キャビティにより比較的大きな混合気塊を形成することができ、低負荷域及び高負荷域の双方で安定した成層燃焼を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る筒内直接噴射式内燃機関を簡略的に示す構成図。
【図2】ピストン冠面を上から見た上面対応図。
【図3】第1実施例に係るピストン形状及び成層高負荷条件での噴霧挙動を示す説明図。
【図4】第1実施例に係るピストン形状及び成層低負荷条件での噴霧挙動を示す説明図。
【図5】第1実施例に係るピストンの形状及び各種寸法を示す断面対応図。
【図6】第2実施例に係るピストンの形状及び各種寸法を示す断面対応図。
【符号の説明】
1…燃焼室
4…ピストン
11…燃料噴射弁
12…点火プラグ
15…ピストン冠面
16…外側キャビティ
16a…第1外側壁面
16b…第2外側壁面
16c…第3外側壁面
17…内側キャビティ
17a…第1内側壁面
17b…第2内側壁面
17c…第3内側壁面[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a center injection type direct injection type internal combustion engine in which a fuel injection valve and a spark plug are arranged on or near a piston reciprocation axis, and more particularly to an improvement in a cavity shape recessed in a piston crown surface.
[0002]
[Prior art]
As a direct injection type internal combustion engine, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-265841 discloses a center injection type engine in which a fuel injection valve and a spark plug are arranged on or near a piston reciprocating axis. A deep dish portion (inner cavity), which is substantially axially symmetric with respect to the reciprocating axis of the piston, is formed in the piston crown surface, and a plurality of shallow dish portions (outer cavities) are intermittently formed around the deep dish portion. It is concavely formed.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The above-mentioned shallow plate portion has a valve recess shape for avoiding interference with the intake / exhaust valve, and is not axially symmetrical with respect to the piston reciprocating axis. For this reason, when stratified charge combustion is performed using the shallow plate portion, the fuel spray injected into the shallow plate portion may spill from between adjacent shallow plate portions, leading to deterioration of fuel efficiency and increase in unburned HC. There is. Also, when stratified charge combustion is performed using the deep dish portion, the fuel spray injected into the deep dish portion is discharged from the deep dish portion because the side wall of the deep dish portion is smoothly connected to the shallow dish portion. The fuel is easily spilled into the fuel cell and there is a concern that fuel consumption may deteriorate and unburned HC may increase. The present invention has been made in view of such a problem.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In the direct injection internal combustion engine of the present invention, the fuel injection valve and the spark plug are arranged on or near the piston reciprocating axis, and the fuel is directly injected from the fuel injection valve into the combustion chamber. The generated mixture is spark-ignited by the spark ignition plug. An outer cavity is formed in the piston crown surface and has an approximately axis-of-rotation body shape with respect to the piston reciprocating axis, and an inner cavity is formed in the outer cavity with an approximately-axis-rotation body shape with respect to the piston reciprocating axis. Is done. Typically, stratified combustion is realized using the outer cavity under stratified high load operation conditions, and stratified combustion is realized using the inner cavity under stratified low load operation conditions.
[0005]
【The invention's effect】
Since both the outer cavity and the inner cavity are substantially in the form of a rotating body with respect to the piston reciprocating axis, the stratified combustion is mainly performed using the outer cavity, and the stratified combustion is mainly performed using the inner cavity. In either case, stratified combustion with good fuel efficiency and sufficient suppression of unburned HC emissions can be realized.
[0006]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0007]
FIG. 1 schematically shows a direct injection internal combustion engine according to the present invention. The combustion chamber 1 is defined by a cylinder head 2, a
[0008]
The cylinder head 2 includes a
[0009]
The
[0010]
The
[0011]
FIG. 3 schematically shows the spraying behavior under the stratified high load operation condition. The wall surface of the
[0012]
The fuel spray injected from the
[0013]
The third
[0014]
FIG. 4 schematically shows the spraying behavior under the stratified low load operation condition. The wall surface of the
[0015]
As shown in FIG. 4A, the fuel spray F4 under the stratified low load operation condition is set so as to obliquely collide with the first
[0016]
The third
[0017]
Since the injection timing is set on the retard side as compared with the high load operation region, even if the injection directions F2 and F4 are the same in the low load operation region and the high load operation region, as described above, the high load region In this case, the spray collides with the first
[0018]
For example, when using an injection valve capable of changing the injection direction as disclosed in JP-A-2000-303936, preferably, the fuel injection direction is directed to the
[0019]
With reference to FIG. 5, the specific shape of the piston and the operation and effect associated therewith will be described in further detail.
[0020]
The depth b of the
[0021]
The depth c of the
[0022]
Since both the third
[0023]
The angle g between the first
[0024]
The radius of curvature Ri of the second
[0025]
FIG. 6 schematically shows a piston crown shape according to the second embodiment. It is to be noted that the same reference numerals are given to substantially the same components as those of the first embodiment, and the duplicate description will be omitted. In the second embodiment, the air-fuel mixture generated by the
[0026]
The technical ideas of the present invention that can be grasped from the above embodiments are listed together with their effects.
[0027]
(1) In a center injection type direct injection type internal combustion engine in which a fuel injection valve and a spark plug are arranged on or near a piston reciprocating axis, an outer cavity having a substantially shaft-rotating body shape with respect to the piston reciprocating axis. Is formed in the crown surface of the piston, and an inner cavity, which is also substantially in the form of a rotating shaft with respect to the piston reciprocating axis, is formed in the outer cavity. By adopting such a double-cavity structure, for example, stratified combustion is realized by using the inner cavity in a low-load region, and stratified combustion is realized by using the outer cavity in a high-load region. In a wide load range including the region, stratified combustion with stable fuel efficiency and low unburned HC can be realized.
[0028]
(2) A first outer wall surface on which fuel spray obliquely collides with a wall surface of the outer cavity, a second outer wall surface continuous with the outer peripheral side of the first outer wall surface, and a third outer wall continuous with the second outer wall surface. And a part or all of the second outer wall surface is formed as an outer curved surface that smoothly curves toward the third outer wall surface, and the third outer wall surface is close to an injection direction of the fuel spray. An inclined surface that is inclined at an angle. Thereby, for example, the fuel injected in the stratified high load region and colliding with the first outer wall surface is guided to the outer curved surface and the third outer wall surface of the second outer wall surface, and swirls vertically in the outer cavity and the space above the outer cavity. -A circulating swirl flow is generated. This makes it easy for the fuel to mix with the air and for the concentration to be uneven, so that a homogeneous mixture field (lump) can be formed in the outer cavity. Therefore, the emission of smoke is suppressed and prevented, and stable stratified combustion can be obtained even if a large amount of EGR is introduced, so that good stratified combustion with little emission of NOx can be realized. Further, since the stratified mixed air mass is formed by the outer cavity having a larger volume than the inner cavity, stable combustion can be realized in a high-load operation region where a relatively large load is applied.
[0029]
(3) A first inner wall surface on which fuel spray obliquely collides with a wall surface of the inner cavity, a second inner wall surface continuous with the outer peripheral side of the first inner wall surface, and a third inner wall continuous with the second inner wall surface. A wall surface, and a part or all of the second inner wall surface is an inner curved surface that smoothly curves toward the third inner wall surface, and the third inner wall surface is close to an injection direction of the fuel spray. An inclined surface that is inclined at an angle. Thereby, for example, the fuel injected in the stratified low load region and colliding with the first inner wall surface is guided to the inner curved surface and the third inner wall surface of the second inner wall surface, and swirls vertically in the inner cavity and the space above it. -A circulating swirl flow is generated. As a result, the fuel is easily mixed with the air and the concentration is hardly uneven, so that a homogeneous mixed gas field (lump) can be formed in the inner cavity. Therefore, the emission of smoke is suppressed and prevented, and stable stratified combustion can be obtained even if a large amount of EGR is introduced, so that good stratified combustion with little emission of NOx can be realized. Further, since the stratified mixed air mass is formed by the inner cavity having a smaller volume than the outer cavity, stable combustion can be realized in a relatively low load operation region.
[0030]
(4) The radius of curvature of the inner curved surface is made smaller than the radius of curvature of the outer curved surface. Thereby, under a low-load stratification condition using the inner cavity, a small air-fuel mixture is easily formed, and stable stratification combustion can be realized.
[0031]
(5) The third outer wall surface has a reentrant shape that approaches the piston reciprocating axis as it goes upward of the piston. As a result, the fuel injected into the outer cavity can be satisfactorily contained, and good stratified combustion with less unburned HC and good fuel economy can be realized.
[0032]
(6) The third inner wall surface has a reentrant shape that approaches the piston reciprocating axis as it goes upward of the piston. Thereby, the fuel injected into the inner cavity can be satisfactorily contained, and stratified combustion with low unburned HC and good fuel efficiency can be realized.
[0033]
(7) The inclination of the third inner wall surface with respect to the piston reciprocating axis is greater than the inclination of the third outer wall surface with respect to the piston reciprocating axis. Thereby, it is possible to more reliably prevent the fuel spray from spilling from the inside of the inner cavity, and realize stable stratified combustion at an extremely low load such as idling.
[0034]
(8) The inclination of the third inner wall surface with respect to the piston reciprocating axis is smaller than the inclination of the third outer wall surface with respect to the piston reciprocating axis. Thus, it is possible to prevent the air-fuel mixture in the inner cavity from becoming excessively rich, and to suppress and prevent the generation of smoke and unburned HC.
[0035]
(9) The depth of the inner cavity with respect to the piston crown is made smaller than the depth of the outer cavity with respect to the piston crown. Thereby, the stratified mixed air mass formed particularly in the inner cavity becomes compact, and stable stratified combustion can be realized in an extremely low load region such as idling.
[0036]
(10) The depth of the inner cavity with respect to the piston crown is made larger than the depth of the outer cavity with respect to the piston crown. In this case, the stratified mixed air mass formed in the inner cavity becomes relatively large, and stable stratified combustion can be realized in a low load region to a medium load region.
[0037]
(11) The depth of the inner cavity itself is made smaller than the depth of the outer cavity itself. As a result, the air-fuel mixture formed in the inner cavity is relatively small, and the air-fuel mixture formed in the outer cavity is relatively large. Stable stratified combustion can be realized in both load regions.
[0038]
(12) The first outer wall surface is an inclined surface that becomes higher toward the piston reciprocating axis. Thereby, the momentum of the fuel spray colliding with the first outer wall surface is moderated to prevent the wall flow, and the generation of smoke and the increase of unburned HC can be reduced and prevented.
[0039]
(13) The first inner wall surface is an inclined surface that becomes higher toward the piston reciprocating axis. Thus, the momentum of the fuel spray colliding with the first inner wall surface is moderated to prevent the wall flow, and the generation of smoke and the increase of unburned HC can be reduced and prevented.
[0040]
(14) The inclination of the first inner wall surface with respect to the orthogonal surface of the piston reciprocating axis is smaller than the inclination of the first outer wall surface with respect to the orthogonal surface. This ensures that wall flow in the outer cavity is reliably reduced and prevented, and in the stratified high-load operation region where the injection amount is large and smoke and unburned HC are likely to increase, the outer cavity is used to generate smoke and unburned HC. Can be effectively reduced or prevented.
[0041]
(15) By ensuring that the first inner wall surface is a flat surface substantially perpendicular to the piston reciprocating axis, combustion stability in an extremely low load stratified operation region such as idling where smoke and unburned HC are originally emitted is small is secured. In addition, workability can be improved and cooling loss can be reduced.
[0042]
(16) If the fuel injection valve is a multi-hole injection valve, even when the in-cylinder pressure in the latter half of the compression stroke is high, the spray directivity is strong and the spray swirl flow is easily generated, so that the uniformity is high. It is easy to generate a stratified mixed air mass.
[0043]
(17) When performing stratified charge combustion in which fuel is injected late in the compression stroke, the injection timing under a high load operation condition is advanced compared to the injection timing under a low load operation condition. Thus, a mixed gas mass having an appropriate size can be formed under both the low load operation condition and the high load operation condition, and stable stratified combustion can be realized at both the low load and the high load.
[0044]
(18) When the fuel injection valve can change the injection direction, the angle of the injection direction with respect to the reciprocating axis of the piston is made relatively large so as to point toward the inner cavity when the load is low, and the outer cavity when the load is high. Is relatively small so as to be oriented.
[0045]
(19) As described above, the injection direction of the fuel injector is directed toward the outer cavity under the high-load operation condition, and is directed toward the inner cavity under the low-load operation condition. A small air-fuel mixture is formed, and a relatively large air-fuel mixture can be formed by the outer cavity under high load operation conditions, and stable stratified combustion can be realized in both the low load region and the high load region.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing a direct injection internal combustion engine according to the present invention.
FIG. 2 is a top view corresponding to a top view of a piston crown surface.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a spray shape under a piston shape and a stratified high load condition according to the first embodiment.
FIG. 4 is an explanatory view showing a spray shape under a piston shape and a stratified low load condition according to the first embodiment.
FIG. 5 is a sectional view showing the shape and various dimensions of the piston according to the first embodiment.
FIG. 6 is a sectional view showing the shape and various dimensions of a piston according to a second embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (19)
上記ピストン往復軸線上又はその近傍に配置され、上記燃焼室内の混合気を火花点火する点火プラグと、
ピストン冠面に凹設され、上記ピストン往復軸線に対してほぼ軸回転体形状をなす外側キャビティと、
この外側キャビティに凹設され、上記ピストン往復軸線に対してほぼ軸回転体形状をなす内側キャビティと、を有する筒内直接噴射式内燃機関。A fuel injection valve arranged on or near the piston reciprocating axis and directly injecting fuel into the combustion chamber;
A spark plug arranged on or near the piston reciprocating axis and spark-igniting the air-fuel mixture in the combustion chamber;
An outer cavity recessed in the piston crown surface and having a substantially shaft-rotating body shape with respect to the piston reciprocating axis;
An in-cylinder direct injection internal combustion engine having an inner cavity recessed in the outer cavity and having a substantially shaft-rotating body shape with respect to the piston reciprocating axis.
上記第2外側壁面は、上記第3外側壁面へ向けて滑らかに湾曲する外側湾曲面を含み、
上記第3外側壁面は、上記燃料噴霧の噴射方向に近い角度で傾斜する傾斜面である請求項1に記載の筒内直接噴射式内燃機関。The outer cavity includes a first outer wall surface on which fuel spray collides obliquely, a second outer wall surface continuous with the outer peripheral side of the first outer wall surface, and a third outer wall surface continuous with the second outer wall surface. Have
The second outer wall surface includes an outer curved surface that smoothly curves toward the third outer wall surface,
2. The direct injection internal combustion engine according to claim 1, wherein the third outer wall surface is an inclined surface inclined at an angle close to an injection direction of the fuel spray.
上記第2内側壁面は、上記第3内側壁面へ向けて滑らかに湾曲する内側湾曲面を含み、
上記第3内側壁面は、上記燃料噴霧の噴射方向に近い角度で傾斜する傾斜面である請求項2に記載の筒内直接噴射式内燃機関。The inner cavity includes a first inner wall surface on which fuel spray collides obliquely, a second inner wall surface continuous with the outer peripheral side of the first inner wall surface, and a third inner wall surface continuous with the second inner wall surface. Have
The second inner wall surface includes an inner curved surface that smoothly curves toward the third inner wall surface,
The direct injection internal combustion engine according to claim 2, wherein the third inner wall surface is an inclined surface inclined at an angle close to an injection direction of the fuel spray.
ピストン往復軸線に対する噴射方向の角度を、低負荷条件のときに高負荷条件のときよりも大きくする請求項1〜17のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関。The fuel injection valve is an injection valve capable of changing an injection direction,
The direct injection internal combustion engine according to any one of claims 1 to 17, wherein the angle of the injection direction with respect to the piston reciprocating axis is larger under a low load condition than under a high load condition.
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