JP2004068746A - 直噴火花点火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】機関の回転条件などに関わらず安定した適正混合気を点火プラグ近傍に形成する。
【解決手段】ピストン４の上面にキャビティ１２を形成し、吸気通路に設けられるスワール制御弁によって、シリンダ内壁を流れる大径スワール流と、キャビティ１２内壁を流れる小径スワール流とを形成させて、２つのスワール流の圧力分布差により円筒形状の上昇流を発生させる。インジェクタ１３は、燃焼室５の吸気通路７の下部に設けられ、上昇流の内側に到達するようなペネトレーションで燃料を噴射する。噴射された噴霧は、上昇流内の空気と混合して燃焼に適した混合気を形成し、点火プラグ１１の近傍に輸送され燃焼が行われる。
【選択図】　図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内に燃料を直接噴射して火花点火燃焼を行う直噴火花点火式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から直噴火花点火式内燃機関として、シリンダ内に燃料噴射を行うインジェクタが燃焼室上部の略中央に配置されるものと、インジェクタが燃焼室の吸気側の側部に配置されるものとがある。
そして、インジェクタが吸気側の側部に配置されるものとしては、インジェクタから噴射された噴霧がガス流動によって点火プラグ近傍に運搬されるエアガイド方式と、ピストン上面に形成されたキャビティを介してスワールガス流動によって点火プラグ近傍に運搬されるウォールガイド方式との２つの方式がある。
【０００３】
また、特開２０００−４５７８１号公報には、シリンダ内にスワール流を形成し、インジェクタからスワール流の中心に向かって燃料を噴射し、成層混合気を点火プラグ近傍に運搬して燃焼を行うことが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃焼室上部の略中央にインジェクタを取り付けるものでは、点火プラグと近接して取り付けるため、燃焼した際にインジェクタ先端部の温度が高くなってしまうために、コーキング（噴孔中の燃料成分が劣化してデポジットとなる現象）を生じ、燃料噴射特性が変化してしまうという問題があり、また、点火プラグに燃料噴霧が被り易いという問題があった。
【０００５】
また、従来のエアガイド方式では、機関の回転条件などの変化によりシリンダ内のガス流が変化するために、全回転領域において点火プラグ近傍に安定した混合気を形成し難く、且つ燃料噴射後は時間の経過と共に噴霧が拡散するために早い時期において点火しなければならず、特に高回転領域では適正な点火時期の設定がし難いという問題があった。
【０００６】
また、従来のウォールガイド方式では、ピストン上面に形成されたキャビティ内に燃料を噴射し、キャビティを利用して点火プラグ近傍に混合気を運搬しているため、特にキャビティ内に噴霧が入りにくい高回転領域では適切な混合気を形成し難く、且つキャビティ内に入った燃料が気化不足の場合には、スモークやＨＣ（炭化水素）の増加に繋がるという問題があった。
【０００７】
また、特開２０００−４５７８１号公報に記載の発明では、エアガイド方式と同様、機関の回転条件などの変化によりシリンダ内のガス流が変化するために、全回転領域において点火プラグ近傍に安定した適正混合気を形成し難く、且つ燃料噴射後は時間の経過と共に噴霧が拡散するために点火時期を早くしなければならず、高回転領域では適正な点火時期に設定し難いという問題があった。
【０００８】
本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、機関の回転条件などに関わらず安定した適正混合気を点火プラグ近傍に形成することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そのため本発明の直噴火花点火式内燃機関では、ピストン上面に設けられたキャビティ内と燃焼室内とにそれぞれスワール流を発生させ、２つのスワール流の圧力分布差により円筒形状の上昇流を発生させて、点火プラグ近傍に燃焼に適切な混合気を運搬する。
【００１０】
【発明の効果】
本発明によれば、回転条件などに関わらず安定した適正混合気を点火プラグ近傍に形成することができるため、燃焼効率が良く、適正な点火時期を設定でき、且つスモークやＨＣの発生を抑えることができるという効果がある。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る直噴火花点火式内燃機関を示す図であり、（イ）は断面図、（ロ）は平面図である。図２は、スワール流が発生している状態を示す図であり、（イ）は断面図、（ロ）は平面図である。なお、図１と図２（ロ）以外の機関１には吸気バルブ６、吸気通路７、排気バルブ８、排気通路９、スワール制御弁１０が示されていないが、図の右側を吸気側、左側を排気側として示すこととする。
【００１２】
図１の機関１は、シリンダヘッド２とシリンダブロック３とピストン４とから燃焼室５が画成され、吸気バルブ６を介して吸気通路７から燃焼室５へ新気を導入し、排気バルブ８を介して燃焼室５から排気通路９へ排気を排出する構成である。燃料噴射を行うインジェクタ１３は、燃焼室５の吸気側の側部に設けられており、シリンダ軸中心の下向きに配置されている。
【００１３】
吸気通路（吸気ポート）７は途中から２つに分かれて形成されており、そのうちの１つにスワール制御弁１０が設けられている（図１（ロ）参照）。このスワール制御弁１０を閉じることによって、燃焼室５内にスワール流を形成できる（図２参照）。
なお図３に示す通り、比較的低回転かつ低負荷の成層運転領域では全域でスワール流を利用しての燃焼を行うためにスワール制御弁１０を閉じ、それ以外の領域ではスワール制御弁１０を開くように制御される。
【００１４】
図１の燃焼室５はペントルーフ状に形成され、その上部の略中央には点火プラグ１１が、シリンダの軸中心と一致するように配置されている。燃焼室５の形状と対応して、ペントルーフ状に形成されたピストン４の上面にはキャビティ１２が、点火プラグ１１を向いて開口するように形成されている。
キャビティ１２は、中心部にシリンダの軸方向に突出した凸部１２ａが設けられ外周側で窪む略ドーナツ形状をしている。この形状によってキャビティ１２内に形成されるスワール流の強さが決まる。
【００１５】
図２に示すようにスワール流は、吸気通路７に設けられたスワール制御弁１０を閉じ、空気がシリンダの内壁に沿って流動することで形成される大径のものと、キャビティ１２の内壁に沿って流動することで形成される小径のものとの２つが形成される。
ここで、大径と小径とのスワール流を形成する場合に、その作用について図４と図５とを用いて説明する。図４の（イ）は大径と小径とのスワール流が発生している状態を示し、（ロ）はシリンダ軸中心からの距離における大径と小径とのスワール流の圧力分布を示している。図５は、大径と小径とのスワール流による円筒形状の上昇流が発生している状態を示す図であり、（イ）は断面図、（ロ）は平面図を示している。
【００１６】
図４（ロ）に示す通り、大径スワール流はシリンダの内壁を沿って流れるために、外側の圧力は高く、内側の圧力は低い。一方、小径スワール流はシリンダ内壁の径より小さいキャビティ１２の内壁に沿って流れるために、キャビティ１２の範囲内において、外側の圧力は大径スワール流よりも高く、内側の圧力はほぼ同等となる。
【００１７】
このため、２つのスワール流の間に圧力分布差が生じ、ピストン４のキャビティ１２の範囲内における、小径スワール流と大径スワール流との圧力差ΔＰによって、キャビティ１２側から点火プラグ１１へ向かって円筒形状の上昇流が発生する（図５（イ））。この上昇流の強さは、小径スワール流と大径スワール流との圧力差ΔＰに応じて強くなる。そしてこの時、大径スワール流と小径スワール流との間には、上昇流のエアカーテンが形成される。
【００１８】
そして、図２を再度参照して、インジェクタ１３が燃焼室の吸気側の側部より斜め下向きに燃料を噴射する。インジェクタ１３は、コントロールユニット（図示せず）によって燃料噴射の開始時期及び終了時期が定められる。ここで、インジェクタ１３の燃料噴射開始時期は、吸気バルブ６を閉じ、シリンダ内に水平のスワール流を形成し、上昇流を発生させてから燃料を噴射する必要があるために、吸気バルブ６が閉じた時期以降となる。
【００１９】
インジェクタ１３から噴射された燃料噴霧は、図５（イ）に示す円筒形状の上昇流の内側に到達し、小径スワール流の空気と混合して、燃焼に適した混合気を形成する。
次に、インジェクタ１３から噴射される噴霧のペネトレーション（貫徹力）について図６を用いて説明する。
【００２０】
噴霧は、その先端部が点火プラグ１１の軸中心からキャビティ１２の排気側の外縁部までの距離Ｗの位置（ペネトレーションの最大値）までの範囲となるように噴射される。なお、燃料噴射は、大径スワール流と小径スワール流とが形成された状態で行われるため、噴霧がペネトレーションの最大値を超えて排気側のシリンダ内壁まで進行することはない。
【００２１】
ここで、噴霧の広がり角度とペネトレーションとの条件について、図７を用いて説明する。図７において、噴霧の広がり角度をα、噴霧のペネトレーションをＰ、シリンダボア径をＤ、キャビティ１２の外縁部の直径をｄ、シリンダの水平方向においてインジェクタ１３の先端から点火プラグ１１の点火位置までの傾きをφ、インジェクタ１３の傾きをθで示している。
【００２２】
インジェクタ１３から噴射される噴霧の広がり角度αは、以下の条件を満たすようにしている。
α／２＜（θ＋φ）・・・（１ａ）
α／２＜ｔａｎ^−１（ｄ＊ｃｏｓθ／Ｄ）・・・（１ｂ）
ここで（１ａ）は、横方向から見て（図７（イ））、燃料噴霧が点火プラグ１１に直接被らないための条件である。（１ｂ）は、縦方向から見て（図７（ロ））、燃料噴霧の広がり角度αが、キャビティ１２の径ｄの範囲を超えないときの条件である。
【００２３】
また、噴霧のペネトレーションＰは、噴霧の先端部がキャビティ１２の軸中心からキャビティ１２の排気側の外縁部までの範囲内であることから、次の範囲内に設定される。
（Ｄ−ｄ）／（２＊ｃｏｓθ）＜Ｐ＜（Ｄ＋ｄ）／（２＊ｃｏｓθ）・・・（２）
これらの条件を満たすようにすれば、噴霧がキャビティ１２の範囲内に噴射され、図５に示すように、大径スワール流の内側に円筒形状の上昇流が形成された際に適正な混合気が形成され、点火プラグ１１近傍に混合気を運搬することができる。そして、大径スワール流と小径スワール流との間に形成されるエアカーテンによって、エアカーテンの外側（大径スワール流）は空燃比がリーン（酸素過剰状態）の状態、エアカーテンの内側（小径スワール流）は空燃比がリッチ（燃料過剰状態）の状態にすることができる。
【００２４】
次に、燃料の噴射タイミング、特に噴射終了時期について図８と図９とを用いて説明する。
図８は、燃料噴射終了時期の状態を示す図であり、（イ）はインジェクタ１３から噴射される燃料噴霧を示す図、（ロ）はシリンダの水平方向からキャビティ１２の吸気側の外縁部までの角度を示す図である。図９は、インジェクタ１３の燃料噴射タイミングを示す図である。なお、図中のＴＤＣは上死点、ＢＤＣは下死点を示す。
【００２５】
燃料噴射タイミングについて、インジェクタ１３の燃料噴射の開始時期は、図９のＡ点で示す吸気バルブ６の閉時期以降である。これは燃料が噴射されるときに、シリンダ内に大径と小径との水平なスワール流が発生していなければならず、仮に吸気バルブ６が開いた状態で燃料噴射した場合には、スワール流が傾いた状態で形成されてしまうために、所望の状態での燃焼運転が行えなくなるためである。
【００２６】
一方、インジェクタ１３の燃料噴射の終了時期は、図８（イ）に示す通り、燃料噴霧の下端部がキャビティ１２の吸気側の外縁部に干渉する直前の時期である。これは、噴霧がキャビティ１２の吸気側の外縁部に当たると、所望の状態で混合気が形成されないために、燃費が低下するためである。
これを図８（ロ）に示すように、噴霧の下端部がキャビティ１２の吸気側の外縁部の点Ｔに干渉する時までピストン４が上昇したとき、インジェクタ１３の先端から点Ｔまでの線とシリンダの水平方向の線との角度をβ（ＩＴ）とすると、インジェクタ１３の取り付け角θ、噴霧の広がり角度αとの関係は次のようになる。
【００２７】
θ＋α／２＜β（ＩＴ）・・・（３）
すなわち、図９のＢ点はこの境界点（θ＋α／２＝β（ＩＴ））を示しており、この直前までに燃料噴射が行われる。
燃料噴射が終了した後は、ピストン４が上死点に向けて移動し、圧縮を行う。この時、図５に示すように、吸気した空気によって形成された大径スワール流と小径スワール流とが維持され、２つのスワール流の圧力分布差によって生じる円筒形状の上昇流が形成され、且つ燃料噴射によってキャビティ１２の範囲内に燃焼に適した混合気が点火プラグ１１近傍に運搬される。
【００２８】
図１０は、燃焼を行っている状態を示す図である。点火プラグ１１の近傍に運搬された混合気は燃焼に適した状態となっている。そして、コントロールユニットによって点火時期が定められた点火プラグ１１が、この混合気に着火して燃焼を行う。燃焼した後には排気バルブ８を開いて排気通路９から排気を排出し、吸気バルブ６を開いて吸気通路７から空気を導入して上述した行程を繰り返す。
【００２９】
本実施形態によれば、吸気通路７に設けられて、シリンダ内にスワール流を生成するスワール流生成手段（スワール制御弁）１０を備える一方、キャビティ１２は、その内部にスワール流生成手段１０により燃焼室５内に形成されるスワール流より小径のスワール流を形成し、かつ２つのスワール流の圧力分布差により、円筒形状の上昇流を発生させる、点火プラグ１１に対応する位置に中心を持つ略円形状であり、インジェクタ１３は、その燃料噴霧が円筒形状の上昇流の内側を指向し、かつ到達するようなペネトレーションを有する。このため、高回転領域においても安定した成層混合気が形成でき、燃焼効率のより適正な点火時期を設定することができ、且つスモークやＨＣの発生を抑えることができる。
【００３０】
また本実施形態によれば、インジェクタ１３の燃料噴射開始時期は、吸気バルブ６の閉時期以降とした。このため、シリンダ内に２つの水平なスワール流を形成することができ、これらの圧力差によって円筒形状の上昇流を発生させ、燃焼に適切な混合気を点火プラグ１１近傍に形成することができる。
また本実施形態によれば、噴霧のペネトレーションは、式（１ａ），（１ｂ），（２）により、筒内ボア径Ｄに対して所定量とした。このため、噴霧をエアカーテン内に十分に納められるペネトレーションにすることができる。
【００３１】
次に第２の実施形態として、シリンダ内のボア径Ｄに対するピストン４のキャビティ１２の外縁部の直径ｄと、ボア径Ｄに対するキャビティ１２の深さｋとの関係について図４と図１１〜図１４とを用いて説明する。
図４（ロ）に示す通り、小径スワール流と大径スワール流との圧力分布差によって、キャビティ１２の範囲内に発生する上昇流の強さが決まる。どの程度の圧力分布差と上昇流とが生じるかは、シリンダ内のボア径Ｄに対するキャビティ１２の直径ｄの大きさが影響を与える。
【００３２】
本実施形態において、シリンダ内のボア径Ｄとキャビティ１２の直径ｄとは、次の関係を満たすようにする。
０．５≦ｄ／Ｄ≦０．６・・・（４）
これは点火時における点火プラグ１１近傍の成層混合気濃度の可燃範囲を空燃比で１０〜１４．４の範囲とし、成層時における外側の平均空燃比を４０とし、キャビティ１２内の体積ｖ、シリンダ全体の体積Ｖとした場合に、次の関係が得られる。
【００３３】
（１０／４０）Ｖ≦ｖ≦（１４．４／４０）Ｖ・・・（４ａ）
これをシリンダ全体の体積Ｖに対するキャビティ１２内の体積ｖで表すと次のようなる。
１／４　≦　ｖ／Ｖ　≦　９／２５・・・（４ｂ）
この関係をピストン４の直径Ｄとキャビティ１２の直径ｄとの関係から求めると次のように表せる。
【００３４】
（１／２）^２≦（ｄ／Ｄ）^２≦（３／５）^２・・・（４ｃ）
この関係から前述の（４）の関係が得られる。
次に、この関係を図１２と図１３とを用いて説明する。図１２は、シリンダ内に大径スワール流と小径スワール流とが発生している場合の、シリンダ軸中心からの圧力分布を示す図であり、キャビティ１２の外縁部の直径ｄの異なるピストン４での圧力分布を示す図である。図１３は、２つのスワール流が発生しているときの上昇流を生成する圧力差比と、ボア径Ｄとキャビティ１２の径ｄとの比との関係を示す図である。なお圧力差比とは、従来のウォールガイドのスワール時での上昇流を生成する圧力差を１００％としたときの圧力差の割合を示している。
【００３５】
図１３において、圧力差比が６４％以上のとき、すなわちスワール流の弱化時の圧力差比が３６％減少した状態までは燃焼の安定性が確保できていることが分かっている。この時のキャビティ１２の径ｄとボア径Ｄとの比（ｄ／Ｄ）は０．６であり、これ以下の値であれば、すなわちキャビティ１２の径ｄが小さければ安定した状態で燃焼が行うことができる。従って、安定した燃焼が確保できるボア径Ｄとキャビティ１２の径ｄとは次の関係を満たすようにする。
【００３６】
ｄ／Ｄ≦０．６・・・（５）
次に、キャビティ１２の深さｋと小径スワール流との関係について図１４を用いて説明する。図１４の関係は実験によって求められ、横軸はキャビティ１２の深さｋと径ｄとの比（ｋ／ｄ）、縦軸は深さｋと径ｄとの比（ｋ／ｄ）が０．４のときに小径スワール流の速度を１とした比を示す。
【００３７】
図示の通り、安定した燃焼を行う最低限度は、小径スワール流の速度比（縦軸の値）が０．７のときであり、確実に安定した燃焼を行うには深さｋと径ｄとの比（ｋ／ｄ）が約０．２以上であることが必要である。すなわち、次の関係が必要である。
ｋ／ｄ≧０．２・・・（６）
この条件を満たせばシリンダ内においてピストン４のキャビティ１２から点火プラグ１１へ向かう円筒形状の上昇流が発生することを示している。
【００３８】
本実施形態によれば、キャビティ１２の径ｄと深さｋとは、式（４）によりシリンダ内ボア径Ｄに対して所定量とした。このため、シリンダ内に適度な強度のエアカーテンを形成することができ、成層混合気を形成することができる。
次に第３の実施形態として、キャビティ１２の形状と、ピストン４のキャビティ１２の外縁部の高さとを変えた場合について、図１５を用いて説明する。
【００３９】
図１５（イ）において、キャビティ１２は、中心部に山形の凸部１２ａが形成され外周側は窪んでいる略ドーナツ形状をしている。図１５（ロ）では、キャビティ１２は、中心部に略テーパーのある円柱状の凸部１２ｂが形成され外周側は窪んでいる略ドーナツ形状をしている。
本実施形態によれば、キャビティ１２は、中心部に凸部（１２ａまたは１２ｂ）が設けられ外周側で窪む略ドーナツ形状とした。このため、キャビティ１２内の小径スワール流の流速を強め、十分な強度のエアカーテンを形成し、キャビティ１２内に成層混合気を形成することができる。
【００４０】
また本実施形態によれば、キャビティ１２の底から外縁部までの高さは、吸気側の高さｈに対して排気側の高さＨの方を高くしている。すなわち、次の関係となっている。
Ｈ＞ｈ・・・（７）
このため、キャビティ１２内でのスワール流の形成が良好となり、燃焼に適切な混合気が形成されて点火プラグ１１近傍に運搬されるために、安定した燃焼を行うことができる。
【００４１】
次に第４の実施形態として、点火プラグ１１の先端部の位置について図１６を用いて説明する。図１６は、ピストン４が上死点にある状態を示している。
燃焼室５の上端部から点火プラグ１１の点火位置までの距離をＬ１、点火位置からピストン４が上死点にあるときのキャビティ１２の底までの距離をＬ２とした場合に、Ｌ１とＬ２とが略等しくなるように点火プラグ１１を配置する。すなわち、次の関係となる。
【００４２】
Ｌ１≒Ｌ２・・・（８）
なお、この時、キャビティ１２の凸部１２ａが点火プラグ１１と当たらないようにする。
本実施形態によれば、点火プラグ１１の先端部は、ピストン４が上死点の位置にある場合に、キャビティ１２内に入るように突き出している。このため、成層混合気の中心付近で点火できることにより、安定した燃焼を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る直噴火花点火式内燃機関を示す図
【図２】スワール流が発生している状態を示す図
【図３】スワール制御弁の開閉する領域を示す図
【図４】大径と小径とのスワール流の圧力分布を示す図
【図５】上昇流が発生している状態を示す図
【図６】噴霧のペネトレーションを示す図
【図７】噴霧の噴霧角とペネトレーションとの条件を示す図
【図８】燃料噴射終了時期の状態を示す図
【図９】インジェクタの燃料噴射タイミングを示す図
【図１０】燃焼を行っている状態を示す図
【図１１】ボア径、キャビティの径、キャビティの深さを示す図
【図１２】スワール流とが発生している場合の圧力分布を示す図
【図１３】スワール流が発生しているときの上昇流を生成する圧力差比と、ボア径とキャビティの径との比との関係を示す図
【図１４】キャビティの深さと小径スワール流との関係を示す図
【図１５】キャビティの形状と、ピストンのキャビティの外縁部の高さとを変えた場合の図
【図１６】点火プラグの先端部の位置を示す図
【符号の説明】
１　直噴火花点火式内燃機関
２　シリンダヘッド
３　シリンダブロック
４　ピストン
５　燃焼室
６　吸気バルブ
７　吸気通路
８　排気バルブ
９　排気通路
１０　スワール制御弁
１１　点火プラグ
１２　キャビティ
１２ａ、１２ｂ　凸部
１３　インジェクタ

Claims (8)

1. 燃焼室上部の略筒内軸中心に点火プラグを有し、ピストン上面にキャビティを有し、燃焼室の吸気側の側部より斜め下向きに燃料を噴射するインジェクタを有する直噴火花点火式内燃機関において、
   吸気通路に設けられて、筒内にスワール流を生成するスワール流生成手段を備える一方、
   前記キャビティは、その内部に前記スワール流生成手段により燃焼室内に形成されるスワール流より小径のスワール流を形成し、かつ２つのスワール流の圧力分布差により、円筒形状の上昇流を発生させる、点火プラグに対応する位置に中心を持つ略円形状であり、
   前記インジェクタは、その燃料噴霧が前記円筒形状の上昇流の内側を指向し且つ到達するようなペネトレーションを有することを特徴とする直噴火花点火式内燃機関。
2. 前記インジェクタの燃料噴射開始時期は、吸気バルブの閉時期以降であることを特徴とする請求項１記載の直噴火花点火式内燃機関。
3. 前記インジェクタの燃料噴射終了時期は、噴霧の下端部が前記キャビティの外縁部に当たらない時期にすることを特徴とする請求項１または請求項２記載の直噴火花点火式内燃機関。
4. 前記キャビティの径と深さとは、筒内ボア径に対して所定量とすることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関。
5. 前記キャビティは、中心部に凸部が設けられ外周側で窪む略ドーナツ形状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つに記載の直噴火花点火式内燃機関。
6. 前記噴霧のペネトレーションは、筒内ボア径に対して所定量とすることを特徴とする請求項４記載の直噴火花点火式内燃機関。
7. 前記キャビティの外縁部の高さは、吸気側に対して排気側の方が高いことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関。
8. 前記点火プラグは、前記ピストンが上死点の位置にある場合に、前記キャビティ内に入るように突き出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つに記載の直噴火花点火式内燃機関。

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