【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
気筒内へ直接的に燃料を噴射することにより、点火時点において点火プラグ近傍だけに着火性の良好な混合気（以下、可燃混合気）を形成し、気筒内全体としては希薄な混合気の燃焼を可能にする成層燃焼が公知である。この成層燃焼に際しては、点火プラグ近傍に可燃混合気を形成するために、噴射燃料をタンブル流によって点火プラグ近傍へ導くことが提案されている。そのために、ピストン頂面にキャビティを形成してタンブル流がピストン頂面を通過する際の通過抵抗を低減し、圧縮行程においても確実にタンブル流が気筒内に存在するようにすることも提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２００８６６号公報（段落番号００３７、図１）
【特許文献２】
特開２００１−１７３４９９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来技術により、噴射燃料を確実に点火プラグ近傍へ導くことが可能となるが、これが点火時期において実現される保証はなく、すなわち、生成されたタンブル流の流速及び燃料噴射時期との関係において、点火時期に噴射燃料の塊が点火プラグ近傍へ到達していない可能性があり、また、点火プラグ近傍を既に通過している可能性もある。こうして、噴射燃料を着火させることができなければ、失火が発生するだけでなく、多量の未燃燃料が排出されることとなる。
【０００５】
従って、本発明の目的は、成層燃焼に際して、点火時期において点火プラグ近傍に確実に可燃混合気を存在させることができる筒内噴射式火花点火内燃機関を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
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、気筒内へ直接的に燃料を噴射するために気筒上部周囲に配置された燃料噴射装置と、点火プラグとを具備し、成層燃焼を実施する際には、燃料噴射装置側の気筒内壁に沿って上昇するタンブル流に対して、前記燃料噴射装置は、燃料噴射開始時期における前記タンブル流の中心軸線より下側へ向けて前記タンブル流に衝突するように燃料を噴射し、前記点火プラグは前記タンブル流の前記中心軸線の上方近傍において気筒上壁から突出していることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、気筒内へ直接的に燃料を噴射するために気筒上部周囲に配置された燃料噴射装置と、点火プラグとを具備し、成層燃焼を実施する際には、燃料噴射装置側の気筒内壁に沿って下降するタンブル流に対して、前記燃料噴射装置は、燃料噴射開始時期における前記タンブル流の中心軸線より上側へ向けて前記タンブル流に衝突するように燃料を噴射し、前記点火プラグは前記タンブル流の前記中心軸線の上方近傍において気筒上壁から突出していることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１又は２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射装置は、成層燃焼を実施する際に、必要量の燃料を複数に分割して噴射することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明による請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１から３のいずれかに記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射装置は、複数の噴射圧での燃料噴射が可能であり、成層燃焼を実施する際に、燃料噴射期間中のピストン位置に応じて前記噴射圧を変化させることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明による請求項５に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１から３のいずれかに記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射装置は、上下方向の複数の噴射角度での燃料噴射が可能であり、成層燃焼を実施する際に、燃料噴射期間中のピストン位置に応じて前記噴射角度を変化させることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明による請求項６に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１から５のいずれかに記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、気筒上壁には、前記タンブル流の通過抵抗を低減するための溝が形成され、前記溝内に前記点火プラグが位置していることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第一実施形態を示す概略縦断面図である。同図において、１は吸気ポート、２は排気ポートである。吸気ポート１は吸気弁３を介して、排気ポート２は排気弁４を介して、それぞれ気筒内へ通じている。５はピストンであり、６は気筒上部中心近傍において気筒上壁から突出している点火プラグである。７は気筒上部周囲の吸気ポート１側に配置された燃料噴射装置である。
【００１３】
本筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気ポート１及びその気筒内開口部の形状が工夫され、吸気行程において気筒内へ導入された吸気によって、気筒内壁の排気ポート２側に沿って下降し、気筒内壁の吸気ポート１側、すなわち、燃料噴射装置側に沿って上昇するタンブル流Ｔ（正タンブル流）が生成されるようになっている。正タンブル流Ｔはピストン５の頂面に沿っても進行し、ピストン５の頂面には、この際の通過抵抗を低減して正タンブル流Ｔの減衰を抑制するために、円弧状底壁（図１に示すように正タンブル流Ｔの周方向に円弧形状となっている）を有する溝５ａが形成されている。
【００１４】
正タンブル流Ｔは、図１に示すように、圧縮行程においても気筒内に存在し、燃料噴射装置７は、図１に示す燃料噴射開始時期において、この時の正タンブル流Ｔの中心軸線Ｃより角度θ１だけ下側（ピストン側）へ向けて燃料を噴射するように配置されている。燃料噴射装置７は、燃料を円錐状に噴射するものであるが、図１に示すように、燃料を比較的小さな角度でしか先広がりさせないようになっており、それにより、噴射燃料はある程度の貫徹力を有している。
【００１５】
燃料噴射装置７から噴射された燃料は、正タンブル流Ｔと衝突することとなるが、ある程度の貫徹力を有するために、正タンブル流Ｔによって分散させられるようなことはない。しかしながら、そのまま進行するのではなく、正タンブル流Ｔとの衝突によって偏向させられる。正タンブル流Ｔは、燃料噴射装置側の気筒内壁に沿って上昇するものであるために、噴射燃料は上側へ偏向され、正タンブル流Ｔの中心軸線Ｃへ向けられる。この中心軸線Ｃは、一般的に、気筒中心軸線とほぼ直交し、また、燃料噴射開始時期におけるピストン頂面と気筒上壁とのほぼ中央に位置している。
【００１６】
正タンブル流Ｔの中心軸線Ｃ近傍は圧力が低いために、偏向された噴射燃料は、この中心軸線Ｃ近傍を超えて進行し難く、また、外側へ分散することも殆ど無い。それにより、噴射燃料は、正タンブル流Ｔの中心軸線Ｃ近傍に留まって点火時期までに気化し、一塊の可燃混合気を形成する。正タンブル流Ｔは、点火時期へ向けてのピストン５の上昇に伴って、縦長の長円形から横長の長円形に潰されるが、その中心軸線Ｃ近傍には可燃混合気が分散することなく維持されている。点火プラグ６は、気筒上部中心近傍において気筒上壁から突出しており、正タンブル流Ｔの中心軸線Ｃの上方近傍に位置しているために、点火時期において正タンブル流Ｔが最大に潰されれば、この時に正タンブル流Ｔが存在していても、又は、この時に正タンブル流Ｔが消滅しても、その中心軸線Ｃ近傍に位置する可燃混合気と確実に接触することとなる。こうして、可燃混合気を確実に着火燃焼させることができ、失火等が発生することはない。
【００１７】
図２は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第二実施形態を示す概略縦断面図である。前述した第一実施形態との違いについてのみ以下に説明する。本実施形態においては、吸気ポート１’及びその気筒内開口部の形状が工夫され、吸気行程において気筒内へ導入された吸気によって、気筒内壁の吸気ポート１’側、すなわち、燃料噴射装置側に沿って下降し、気筒内壁の排気ポート２側に沿って上昇するタンブル流Ｔ’（逆タンブル流）が生成されるようになっている。ピストン５’の頂面には、逆タンブル流Ｔ’の減衰を抑制するために、第一実施形態の溝５ａと同様な溝５ａ’が形成されている。
【００１８】
燃料噴射装置７’は、図２に示す燃料噴射開始時期において、この時の逆タンブル流Ｔ’の中心軸線Ｃ’より角度θ２だけ上側（気筒上壁側）へ向けて燃料を噴射するように配置されている。こうして燃料噴射装置７から噴射された燃料は、逆タンブル流Ｔ’と衝突することとなるが、ある程度の貫徹力を有するために、逆タンブル流Ｔ’によって分散させられることなく、逆タンブル流Ｔ’との衝突によって偏向させられる。逆タンブル流Ｔ’は、燃料噴射装置側の気筒内壁に沿って下降するものであるために、噴射燃料は下側へ偏向され、逆タンブル流Ｔ’の中心軸線Ｃ’へ向けられる。逆タンブル流Ｔ’の中心軸線Ｃ’も、一般的に、気筒中心軸線とほぼ直交し、また、燃料噴射開始時期におけるピストン頂面と気筒上壁とのほぼ中央に位置している。
【００１９】
逆タンブル流Ｔ’の中心軸線Ｃ’近傍は、正タンブル流Ｔと同様に圧力が低いために、噴射燃料は、逆タンブル流Ｔ’の中心軸線Ｃ’近傍に留まって点火時期までに気化し、一塊の可燃混合気を形成する。こうして、正タンブル流Ｔの場合と同様に、この可燃混合気を確実に着火燃焼させることができ、失火等が発生することはない。
【００２０】
前述した第一実施形態において、点火時点まで正タンブル流Ｔの中心軸線Ｃ近傍に可燃混合気を分散させることなく維持するためには、吸気行程で生成された正タンブル流Ｔが、少なくとも圧縮行程末期の点火時点直前までは確実に存在していることが必要となる。それにより、ピストン頂面には、正タンブル流Ｔの通過抵抗を低減するための溝５ａを設けて正タンブル流Ｔ’の減衰を抑制している。
【００２１】
図３は第一実施形態の変形例を示す概略縦断面図であり、図４は図３の筒内噴射式火花点火内燃機関における気筒上壁の底面図である。本変形例では、圧縮行程末期に正タンブル流を確実に存在させるために、気筒上壁にも、正タンブル流Ｔの通過の際の抵抗を低減するために、円弧状底壁（図３に示すように正タンブル流の周方向に円弧形状となっている）を有する溝８が形成されている。この溝８は、図４に示すように、二つの吸気弁３の間及び二つの排気弁４の間を通り延在しており、ピストン頂面の溝５ａと対向して溝５ａとほぼ同じ幅を有している。
【００２２】
正タンブル流Ｔは、二つの吸気弁３を介して気筒内へ導入された二つの気流により生成されるものであるが、吸気行程末期には、一つの気流となって気筒上壁の溝８及びピストン頂面の溝５ａに沿って気筒内を縦方向に旋回する。点火プラグ６は、気筒上壁の溝８内に位置しているために、圧縮行程末期の点火時期において、潰された正タンブル流Ｔとも確実に接触し、この正タンブルＴの中心軸線近傍に維持されている可燃混合気を確実に着火燃焼させることができる。本変形例において、燃料噴射装置７は、気筒上部周囲の溝８の延長幅内に位置するようにしており、溝８が実際的に長くされる場合には、溝８内に位置するようになる。第三実施形態では、正タンブル流Ｔに対して気筒上壁に溝８を形成したが、もちろん、逆タンブル流Ｔ’に対して気筒上壁に同様な溝を形成することも可能である。
【００２３】
前述した第一実施形態において、噴射燃料は、ある程度の貫徹力を有しているために、正タンブル流Ｔとの衝突によって正タンブル流Ｔの衝突部分における慣性エネルギを比較的大きく減少させる。このエネルギ減少によって噴射燃料が前述したように偏向させられるのである。それにより、特に、成層燃焼時の高負荷側において、必要量の燃料が比較的多くなる時に、燃料を連続して噴射すると、正タンブル流Ｔの比較的大きな連続部分において慣性エネルギが減少するために、正タンブル流Ｔが環状に連続しないようになってしまう。
【００２４】
こうなると、正タンブル流Ｔの中心軸線近傍に可燃混合気が形成されず、点火時期において点火プラグ近傍に可燃混合気を位置させるのが困難となる。従って、特に、必要量の燃料が比較的多くなる時には、図５に示すように、複数回に分割して燃料を噴射することが好ましい。分割された噴射燃料は、それぞれによって、前述同様に、正タンブル流Ｔの一部における慣性エネルギを減少させるが、このエネルギ減少部分は比較的大きな連続部分とならないために、正タンブル流Ｔは、環状に連続していると同等に作用し、中心軸線近傍に形成された可燃混合気が点火時期までに分散するようなことはない。この分割燃料噴射は、もちろん、逆タンブル流Ｔ’が生成される第二実施形態においても同様に有効である。
【００２５】
第一実施形態において、正タンブル流Ｔの中心軸線Ｃに対しての燃料噴射角度θ１は、噴射燃料が正タンブル流Ｔによって正タンブル流Ｔの中心軸線Ｃへ偏向されるように、燃料噴射開始時期に対応するピストン位置に基づく正タンブル流Ｔの中心軸線Ｃの位置と、正タンブル流Ｔの流速又は慣性エネルギの大きさとに応じて決定される。しかしながら、燃料噴射期間中にピストン位置が上昇するために、燃料噴射開始時期と燃料噴射終了時期とで正タンブル流Ｔの大きさが変化して中心軸線Ｃの位置が上昇し、それにより、燃料噴射開始時期のピストン位置に対して燃料噴射角度θ１を決定すると、厳密には、燃料噴射終了時期では、この時の正タンブル流Ｔの中心軸線Ｃへ噴射燃料を偏向することができない。
【００２６】
もちろん、燃料噴射量が比較的少なくて機関回転数が低ければ、燃料噴射期間中のピストン位置の変化量は少なく、燃料噴射終了時期にも、この時の正タンブル流Ｔにおける中心軸線Ｃの近傍に噴射燃料を偏向することはできる。しかしながら、特に、必要量の燃料が比較的多くなる時又は機関回転数が高くなる時においては、燃料噴射開始時期と燃料噴射終了時期とでピストン位置が比較的大きく変化するために、燃料噴射終了時期には、噴射燃料を大きく上方へ偏向させない限り、この時の正タンブル流Ｔにおける中心軸線Ｃの近傍に噴射燃料を偏向することができなくなる。
【００２７】
それにより、燃料噴射装置７が無段階を含み複数の噴射圧での燃料噴射を可能とするものであれば、燃料噴射終了時における噴射圧を燃料噴射開始時におけるより低下させるようにすれば良い。好ましくは、噴射圧を燃料噴射開始時から燃料噴射終了時まで徐々に低下させるようにする。こうして噴射圧が低下されると、燃料粒の質量が減少するために、同じ流速の正タンブル流Ｔとの衝突に際して、噴射燃料はより上方へ偏向されることとなり、噴射燃料の全てを正タンブル流Ｔの中心軸線Ｃ近傍に確実に偏向させることができる。
【００２８】
この考え方を前述した複数回に分割して燃料を噴射する場合に適用すれば、図５に示すように、それぞれの分割燃料噴射において、噴射圧を徐々に低下させることとなる。図５に示す分割燃料噴射では、各分割燃料噴射量を等しくするために、噴射圧が徐々に低下させられるのに伴って、噴射期間は徐々に長くされている。
【００２９】
気筒内に正タンブル流Ｔが生成される場合の燃料噴射に関して説明したが、第二実施形態のように、気筒内に逆タンブル流Ｔ’が生成される場合には、話が逆となる。すなわち、燃料噴射期間中にピストン位置が上昇すると、逆タンブル流Ｔ’の中心軸線Ｃ’の位置も上昇し、それにより、燃料噴射終了時において、この時の逆タンブル流Ｔ’の中心軸線Ｃ’近傍へ燃料を偏向させるには、燃料噴射開始時に比較して噴射燃料を小さく下方へ偏向させるようにしなければならない。それにより、燃料噴射期間の末期においては、前期に比較して噴射圧を高めることが好ましい。
【００３０】
このように、気筒内に正タンブル流Ｔ及び逆タンブル流Ｔ’のいずれが生成される場合においても、燃料噴射装置が複数の噴射圧での燃料噴射を可能とするものであれば、燃料噴射期間中のピストン位置に応じて噴射圧を変化させることにより、各噴射燃料を噴射時のタンブル流の中心軸線近傍へ確実に偏向させるようにして、点火時期におけるタンブル流の中心軸線近傍に一塊の可燃混合気を形成することが好ましい。
【００３１】
一般的な燃料噴射装置７，７’では、燃料噴射方向は一方向に限定されており、圧縮行程において上昇するピストン位置に対して、全ての噴射燃料を確実にタンブル流の中心軸線近傍に偏向させて集合させるためには、前述したように、噴射圧を変化させることが必要となる。しかしながら、図６に示す第四実施形態のように、燃料噴射装置７”が上下方向の無段階を含めて複数の噴射角度での燃料噴射を可能とするものである場合には、正タンブル流に対しては、燃料噴射期間中のピストン位置が上昇するほど、燃料噴射角度を水平方向（気筒中心軸線と垂直な方向）へ向けて徐々に変化させようにすれば良い。それにより、ピストン位置の上昇に対して、正タンブル流の中心軸線位置がＣ１，Ｃ２，Ｃ３のように徐々に上昇しても、これらの各中心軸線位置に向けて、噴射圧を変化させなくても、噴射燃料を確実に偏向させることができる。尚、図６における一線鎖線は、各噴射角度での燃料噴霧の中心を示している。
【００３２】
燃料噴射装置７”において、燃料噴射角度を変化させるには、例えば、それぞれの燃料噴射角度に対応する複数の噴孔を設けて、これらの噴孔の一つを選択して使用するようにすれば良い。また、燃料噴射装置７”を回動軸回りに回動するようにして、燃料噴射角度を可変としても良い。また、燃料噴射装置７”を互いに燃料噴射角度が異なるように取り付けられた複数の燃料噴射弁から構成して、これらの燃料噴射弁の一つを選択して使用するようにしても良い。
【００３３】
このような燃料噴射装置７”を逆タンブル流に対して使用する場合には、逆の話となり、燃料噴射期間中のピストン位置が上昇するほど、燃料噴射角度を垂直方向（気筒中心軸線方向）へ向けて徐々に変化させようにすれば良い。
【００３４】
第一、第二、及び第三実施形態のように燃料噴射装置が一方向にしか燃料を噴射することができない場合において、燃料噴射開始時期は、タンブル流の強さに応じては決定されてしまう。前述したように、燃料噴射装置を、複数の噴射圧での燃料噴射を可能とするものとすれば、噴射圧を変化させることにより、燃料噴射開始時期を比較的自由に変化させることができる。また、第四実施形態のように、燃料噴射装置７”を複数の噴射角度での燃料噴射を可能とするものとすれば、噴射圧を変化させることなく、燃料噴射開始時期を比較的自由に変化させることができる。
【００３５】
前述した実施形態のように、正タンブル流又は逆タンブル流の中心軸線近傍に燃料を噴射して可燃混合気を形成する場合には、噴射燃料の分散の問題がないために、成層燃焼に際して、圧縮行程前期又は吸気行程末期から燃料噴射が可能となり、これは、噴射燃料に十分な気化時間を提供して良好な可燃混合気の形成に有利であるだけでなく、比較的多量の燃料噴射が可能となるために、燃料消費の少ない成層燃焼の運転領域を高負荷側へ拡大することが可能となる。
【００３６】
前述した実施形態において、燃料噴射弁は、燃料を小さな広がり角度を有する円錐状に噴射するものとしたが、これは、タンブル流との衝突に際して分散しない程度の貫徹力を得るためであり、このような貫徹力が得られるような他の形状で燃料を噴射するものとしても良い。例えば、柱状又は比較的厚さの薄い扇形状に燃料を噴射するものでも良い。扇形状に燃料を噴射する場合には、正タンブル流又は逆タンブル流の中心軸線と平行な方向を扇形状噴霧の幅方向とすることが好ましい。これまで、成層燃焼に関してだけ説明したが、機関高負荷時等の特定機関運転状態においては、吸気行程で燃料を噴射して、気筒内に均質混合気を形成する均質燃焼を実施するようにしても良い。
【００３７】
【発明の効果】
このように、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、成層燃焼を実施する際には、燃料噴射装置側の気筒内壁に沿って上昇するタンブル流に対して、燃料噴射装置は、燃料噴射開始時期におけるタンブル流の中心軸線より下側へ向けてタンブル流に衝突するように燃料を噴射するようになっているために、こうして噴射された燃料は、タンブル流との衝突によってタンブル流の中心軸線近傍へ向けて上方へ偏向され、ここで気化して可燃混合気を形成する。タンブル流の中心軸線近傍は圧力が低いために、可燃混合気が分散するようなことはなく点火時期においても一塊に維持されており、点火時期となれば、タンブル流の中心軸線の上方近傍において気筒上壁から突出している点火プラグと一塊の可燃混合気とは確実に接触し、こうして、点火時期において点火プラグ近傍に可燃混合気を確実に存在させることができ、この可燃混合気を確実に着火燃焼させることができる。
【００３８】
また、本発明によるもう一つの筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、成層燃焼を実施する際には、燃料噴射装置側の気筒内壁に沿って下降するタンブル流に対して、燃料噴射装置は、燃料噴射開始時期におけるタンブル流の中心軸線より上側へ向けて前記タンブル流に衝突するように燃料を噴射するようになっているために、こうして噴射された燃料は、タンブル流との衝突によってタンブル流の中心軸線近傍へ向けて下方へ偏向され、ここで気化して可燃混合気を形成する。この可燃混合気は、前述同様に、点火時期においても一塊に維持され、点火プラグ近傍に確実に存在させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第一実施形態を示す概略縦断面図である。
【図２】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第二実施形態を示す概略縦断面図である。
【図３】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第三実施形態を示す概略縦断面図である。
【図４】図３の筒内噴射式火花点火内燃機関における気筒上壁の底面図である。
【図５】分割燃料噴射を説明するための図である。
【図６】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第四実施形態を示す概略縦断面図である。
【符号の説明】
１，１’…吸気ポート
２…排気ポート
５…ピストン
６…点火プラグ
７，７’，７”…燃料噴射装置
８…溝[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a direct injection spark ignition internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
By injecting fuel directly into the cylinder, an ignitable mixture (hereinafter, flammable mixture) is formed only in the vicinity of the ignition plug at the time of ignition, and combustion of the lean mixture as a whole in the cylinder Stratified combustion that allows for is known. In this stratified combustion, it has been proposed that the injected fuel be guided to the vicinity of the ignition plug by a tumble flow in order to form a combustible air-fuel mixture near the ignition plug. For this purpose, it has also been proposed to form a cavity in the top surface of the piston to reduce the passage resistance when the tumble flow passes through the top surface of the piston, and to ensure that the tumble flow exists in the cylinder even during the compression stroke. (For example, see Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-11-200866 (paragraph number 0037, FIG. 1)
[Patent Document 2]
JP 2001-173499 A
[Problems to be solved by the invention]
According to the above-mentioned prior art, it is possible to reliably guide the injected fuel to the vicinity of the spark plug, but there is no guarantee that this is achieved at the ignition timing, that is, the relationship between the flow velocity of the generated tumble flow and the fuel injection timing. In the above, there is a possibility that the lump of the injected fuel has not reached the vicinity of the spark plug at the ignition timing, and there is also a possibility that the lump of the fuel has already passed near the spark plug. Thus, if the injected fuel cannot be ignited, not only misfire occurs but also a large amount of unburned fuel is discharged.
[0005]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide an in-cylinder injection spark ignition internal combustion engine capable of ensuring that a combustible air-fuel mixture exists near an ignition plug at ignition timing during stratified combustion.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
An in-cylinder injection spark ignition internal combustion engine according to claim 1 according to the present invention includes: a fuel injection device arranged around a cylinder upper portion for directly injecting fuel into a cylinder; and a spark plug; When performing stratified combustion, for the tumble flow rising along the cylinder inner wall on the fuel injection device side, the fuel injection device moves downward from the center axis of the tumble flow at the fuel injection start timing. Fuel is injected so as to collide with the tumble flow, and the spark plug protrudes from an upper wall of the cylinder in the vicinity of above the central axis of the tumble flow.
[0007]
According to a second aspect of the present invention, there is provided an in-cylinder injection spark ignition internal combustion engine including: a fuel injection device disposed around an upper portion of a cylinder for directly injecting fuel into the cylinder; and a spark plug. When performing stratified charge combustion, the fuel injection device is directed upward from the center axis of the tumble flow at the fuel injection start timing with respect to the tumble flow descending along the cylinder inner wall on the fuel injection device side. Fuel is injected so as to collide with the tumble flow, and the spark plug protrudes from the cylinder upper wall in the vicinity of above the central axis of the tumble flow.
[0008]
According to a third aspect of the present invention, there is provided the in-cylinder injection spark ignition internal combustion engine according to the first or second aspect, wherein the fuel injection device performs stratified combustion. In this case, a required amount of fuel is divided into a plurality of fuels and injected.
[0009]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an in-cylinder injection spark ignition internal combustion engine according to any one of the first to third aspects, wherein the fuel injection device includes a plurality of fuel injection devices. The fuel injection can be performed at the injection pressure, and when performing stratified combustion, the injection pressure is changed according to the piston position during the fuel injection period.
[0010]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided an in-cylinder injection spark ignition internal combustion engine according to any one of the first to third aspects, wherein the fuel injection device is arranged in a vertical direction. The fuel injection can be performed at a plurality of injection angles, and when performing stratified combustion, the injection angle is changed according to the piston position during the fuel injection period.
[0011]
A cylinder injection type spark ignition internal combustion engine according to claim 6 of the present invention is the cylinder injection type spark ignition internal combustion engine according to any one of claims 1 to 5, wherein the cylinder upper wall has the tumble A groove for reducing the flow passage resistance is formed, and the spark plug is located in the groove.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view showing a first embodiment of a direct injection type spark ignition internal combustion engine according to the present invention. In the figure, 1 is an intake port, and 2 is an exhaust port. The intake port 1 communicates with the cylinder via an intake valve 3, and the exhaust port 2 communicates with the cylinder via an exhaust valve 4. Reference numeral 5 denotes a piston, and reference numeral 6 denotes a spark plug protruding from the upper wall of the cylinder near the center of the upper portion of the cylinder. Reference numeral 7 denotes a fuel injection device arranged on the intake port 1 side around the upper part of the cylinder.
[0013]
In the in-cylinder injection type spark ignition internal combustion engine, the shapes of the intake port 1 and the opening in the cylinder are devised, and the intake port 1 is lowered along the exhaust port 2 side of the cylinder inner wall by the intake air introduced into the cylinder during the intake stroke. A tumble flow T (positive tumble flow) rising along the intake port 1 side of the inner wall of the cylinder, that is, along the fuel injection device side is generated. The positive tumble flow T also travels along the top surface of the piston 5, and the top surface of the piston 5 has an arc-shaped bottom wall in order to reduce the passage resistance at this time and suppress the attenuation of the positive tumble flow T. A groove 5a having a circular shape in the circumferential direction of the normal tumble flow T as shown in FIG. 1 is formed.
[0014]
As shown in FIG. 1, the positive tumble flow T exists in the cylinder even during the compression stroke, and the fuel injection device 7 operates at the fuel injection start timing shown in FIG. It is arranged so that the fuel is injected downward (toward the piston) by an angle θ1. Although the fuel injection device 7 injects the fuel in a conical shape, as shown in FIG. 1, the fuel is spread only at a relatively small angle, so that the injected fuel is reduced to a certain degree. Has penetrating power.
[0015]
The fuel injected from the fuel injection device 7 collides with the forward tumble flow T, but has a certain penetration force, and is not dispersed by the forward tumble flow T. However, instead of proceeding as it is, it is deflected by collision with the normal tumble flow T. Since the forward tumble flow T rises along the cylinder inner wall on the side of the fuel injection device, the injected fuel is deflected upward and directed toward the central axis C of the forward tumble flow T. This central axis C is generally substantially perpendicular to the cylinder central axis, and is located substantially at the center between the piston top surface and the cylinder upper wall at the time of fuel injection start.
[0016]
Since the pressure is low near the central axis C of the positive tumble flow T, the deflected injected fuel is unlikely to proceed beyond the vicinity of the central axis C and hardly disperses outward. As a result, the injected fuel stays near the central axis C of the positive tumble flow T and is vaporized by the ignition timing to form a lump of combustible air-fuel mixture. The positive tumble flow T is crushed from a vertically long oval to a horizontally long oval with the rise of the piston 5 toward the ignition timing, but the flammable air-fuel mixture is maintained near the center axis C without being dispersed. Have been. The spark plug 6 protrudes from the upper wall of the cylinder near the center of the upper part of the cylinder, and is located near the center axis C of the positive tumble flow T. Therefore, the positive tumble flow T is crushed to the maximum at the ignition timing. For example, even if the positive tumble flow T exists at this time, or even if the positive tumble flow T disappears at this time, the positive tumble flow T surely comes into contact with the combustible air-fuel mixture located near the center axis C. Thus, the combustible air-fuel mixture can be reliably ignited and burned, and no misfire or the like occurs.
[0017]
FIG. 2 is a schematic vertical sectional view showing a second embodiment of the direct injection spark ignition internal combustion engine according to the present invention. Only the differences from the above-described first embodiment will be described below. In the present embodiment, the shapes of the intake port 1 'and the opening in the cylinder thereof are devised, and the intake air introduced into the cylinder during the intake stroke causes the intake port 1' side of the cylinder inner wall, that is, the fuel injection device side. A tumble flow T ′ (reverse tumble flow) that descends along the cylinder wall and rises along the exhaust port 2 side of the inner wall of the cylinder is generated. A groove 5a 'similar to the groove 5a of the first embodiment is formed on the top surface of the piston 5' in order to suppress the attenuation of the reverse tumble flow T '.
[0018]
At the fuel injection start timing shown in FIG. 2, the fuel injection device 7 ′ injects fuel toward the upper side (cylinder upper wall side) by an angle θ2 from the center axis C ′ of the reverse tumble flow T ′ at this time. Are located. The fuel injected from the fuel injection device 7 in this way collides with the reverse tumble flow T ′, but has a certain penetration force, and is not dispersed by the reverse tumble flow T ′, so that the reverse tumble flow T ′ is not dispersed. Deflected by collision with '. Since the reverse tumble flow T 'descends along the cylinder inner wall on the fuel injector side, the injected fuel is deflected downward and directed toward the center axis C' of the reverse tumble flow T '. The center axis C 'of the reverse tumble flow T' is also generally perpendicular to the cylinder center axis, and is located substantially at the center between the top surface of the piston and the upper wall of the cylinder at the start of fuel injection.
[0019]
Since the pressure near the central axis C 'of the reverse tumble flow T' is low similarly to the forward tumble flow T, the injected fuel stays near the central axis C 'of the reverse tumble flow T' and vaporizes by the ignition timing. , Forming a lump of combustible mixture. Thus, as in the case of the positive tumble flow T, the combustible air-fuel mixture can be reliably ignited and burned, and no misfire or the like occurs.
[0020]
In the first embodiment described above, in order to maintain the combustible air-fuel mixture near the center axis C of the positive tumble flow T without dispersing until the ignition point, the positive tumble flow T generated in the intake stroke must be at least compressed stroke. It must be sure that it exists just before the end of the ignition period. Thus, a groove 5a for reducing the passage resistance of the positive tumble flow T is provided on the piston top surface to suppress the attenuation of the positive tumble flow T '.
[0021]
FIG. 3 is a schematic longitudinal sectional view showing a modification of the first embodiment, and FIG. 4 is a bottom view of an upper cylinder wall in the direct injection spark ignition internal combustion engine of FIG. In this modification, in order to ensure that the positive tumble flow exists at the end of the compression stroke, the upper cylinder wall is also provided with an arc-shaped bottom wall (see FIG. 3) to reduce the resistance when the positive tumble flow T passes. As shown, the groove 8 has a circular arc shape in the circumferential direction of the forward tumble flow). As shown in FIG. 4, the groove 8 extends between the two intake valves 3 and between the two exhaust valves 4, and is substantially the same as the groove 5a facing the groove 5a on the piston top surface. Has a width.
[0022]
The normal tumble flow T is generated by two airflows introduced into the cylinder through the two intake valves 3, but becomes one airflow at the end of the intake stroke to form a groove 8 in the cylinder upper wall. And, it vertically turns in the cylinder along the groove 5a on the piston top surface. Since the ignition plug 6 is located in the groove 8 in the upper wall of the cylinder, it surely comes into contact with the crushed positive tumble flow T at the ignition timing at the end of the compression stroke. The maintained combustible mixture can be reliably ignited and burned. In this modification, the fuel injection device 7 is located within the extension width of the groove 8 around the upper part of the cylinder, and is located within the groove 8 when the groove 8 is actually elongated. Become. In the third embodiment, the groove 8 is formed on the upper wall of the cylinder for the forward tumble flow T. However, a similar groove may be formed on the upper wall of the cylinder for the reverse tumble flow T ′.
[0023]
In the first embodiment described above, since the injected fuel has a certain penetration force, the inertial energy in the collision portion of the positive tumble flow T is relatively largely reduced by the collision with the positive tumble flow T. Due to this energy reduction, the injected fuel is deflected as described above. Thereby, especially when the required amount of fuel becomes relatively large on the high load side during stratified combustion, when the fuel is continuously injected, the inertial energy is reduced in the relatively large continuous portion of the positive tumble flow T. In addition, the positive tumble flow T does not continue in an annular shape.
[0024]
In this case, a combustible mixture is not formed near the central axis of the positive tumble flow T, and it is difficult to position the combustible mixture near the ignition plug at the ignition timing. Therefore, especially when the required amount of fuel is relatively large, it is preferable to inject the fuel in a plurality of times as shown in FIG. Each of the divided injected fuels reduces the inertial energy in a part of the positive tumble flow T as described above, but since this energy reduction part is not a relatively large continuous part, the positive tumble flow T becomes The function is the same as being continuous in a ring shape, and the combustible mixture formed near the center axis does not disperse by the ignition timing. This split fuel injection is, of course, similarly effective in the second embodiment in which the reverse tumble flow T ′ is generated.
[0025]
In the first embodiment, the fuel injection angle θ1 with respect to the central axis C of the positive tumble flow T is set such that the injected fuel is deflected toward the central axis C of the positive tumble flow T by the positive tumble flow T. It is determined according to the position of the central axis C of the positive tumble flow T based on the piston position corresponding to the timing, and the velocity of the positive tumble flow T or the magnitude of the inertial energy. However, since the piston position rises during the fuel injection period, the magnitude of the positive tumble flow T changes between the fuel injection start timing and the fuel injection end timing, and the position of the center axis C rises. If the fuel injection angle θ1 is determined with respect to the piston position at the injection start timing, strictly speaking, at the fuel injection end timing, the injected fuel cannot be deflected to the central axis C of the positive tumble flow T at this time.
[0026]
Of course, if the fuel injection amount is relatively small and the engine speed is low, the amount of change in the piston position during the fuel injection period is small, and the fuel injection end timing is also close to the central axis C in the positive tumble flow T at this time. Can be deflected. However, particularly when the required amount of fuel is relatively large or when the engine speed is high, the piston position changes relatively between the fuel injection start timing and the fuel injection end timing, so that the fuel injection At this time, unless the injected fuel is largely deflected upward, the injected fuel cannot be deflected to the vicinity of the central axis C in the positive tumble flow T at this time.
[0027]
Accordingly, if the fuel injection device 7 is capable of performing fuel injection at a plurality of injection pressures, including stepless, the injection pressure at the end of fuel injection may be reduced more than at the start of fuel injection. . Preferably, the injection pressure is gradually reduced from the start of fuel injection to the end of fuel injection. When the injection pressure is reduced in this way, the mass of the fuel particles is reduced, so that the injected fuel is deflected upward upon collision with the positive tumble flow T having the same flow rate, and all the injected fuel is subjected to the positive tumble flow. The flow T can be reliably deflected to the vicinity of the center axis C of the flow T.
[0028]
If this concept is applied to the case where the fuel is divided into a plurality of injections as described above, as shown in FIG. 5, the injection pressure is gradually reduced in each divided fuel injection. In the divided fuel injection shown in FIG. 5, in order to make each divided fuel injection amount equal, the injection period is gradually lengthened as the injection pressure is gradually reduced.
[0029]
The fuel injection in the case where the normal tumble flow T is generated in the cylinder has been described. However, when the reverse tumble flow T ′ is generated in the cylinder as in the second embodiment, the situation is reversed. That is, when the piston position rises during the fuel injection period, the position of the center axis C 'of the reverse tumble flow T' also rises, so that at the end of the fuel injection, the center axis C of the reverse tumble flow T 'at this time. 'In order to deflect the fuel to the vicinity, the injected fuel must be slightly deflected downward compared to the start of fuel injection. Thereby, it is preferable to increase the injection pressure at the end of the fuel injection period as compared to the previous period.
[0030]
As described above, regardless of whether the forward tumble flow T or the reverse tumble flow T ′ is generated in the cylinder, if the fuel injection device can perform fuel injection at a plurality of injection pressures, the fuel injection By changing the injection pressure according to the piston position during the period, it is ensured that each injected fuel is deflected to the vicinity of the center axis of the tumble flow at the time of injection, so that one lump is formed near the center axis of the tumble flow at the ignition timing. Preferably, a combustible mixture is formed.
[0031]
In the general fuel injection devices 7, 7 ', the fuel injection direction is limited to one direction, and all the injected fuel is reliably deflected to the vicinity of the center axis of the tumble flow with respect to the piston position which rises in the compression stroke. As described above, it is necessary to change the injection pressure in order to collect the fuel cells. However, as in the fourth embodiment shown in FIG. 6, when the fuel injection device 7 ″ is capable of injecting fuel at a plurality of injection angles, including stepless in the vertical direction, the normal tumble flow As the piston position rises during the fuel injection period, the fuel injection angle may be gradually changed in the horizontal direction (the direction perpendicular to the cylinder center axis). With respect to the rise of the fuel flow, even if the center axis position of the positive tumble flow gradually rises as indicated by C1, C2, and C3, the injection fuel is not changed toward the respective center axis positions without changing the injection pressure. In addition, the chain line in FIG. 6 indicates the center of the fuel spray at each injection angle.
[0032]
To change the fuel injection angle in the fuel injection device 7 ″, for example, a plurality of injection holes corresponding to each fuel injection angle are provided, and one of these injection holes is selected and used. Alternatively, the fuel injection device 7 ″ may be rotated around a rotation axis to make the fuel injection angle variable. Further, the fuel injection device 7 "may be constituted by a plurality of fuel injection valves attached so that the fuel injection angles are different from each other, and one of these fuel injection valves may be selected and used.
[0033]
When such a fuel injection device 7 ″ is used for a reverse tumble flow, the opposite is true. As the piston position increases during the fuel injection period, the fuel injection angle increases in the vertical direction (cylinder center axis direction). It is good to change gradually toward.
[0034]
In the case where the fuel injection device can inject fuel only in one direction as in the first, second, and third embodiments, the fuel injection start timing is determined according to the strength of the tumble flow. I will. As described above, if the fuel injection device enables fuel injection at a plurality of injection pressures, the fuel injection start timing can be changed relatively freely by changing the injection pressure. Further, as in the fourth embodiment, if the fuel injection device 7 ″ can perform fuel injection at a plurality of injection angles, the fuel injection start timing can be relatively freely set without changing the injection pressure. Can be changed.
[0035]
In the case where the fuel is injected near the center axis of the forward or reverse tumble flow to form a combustible mixture as in the above-described embodiment, there is no problem of dispersion of the injected fuel. Fuel injection is enabled from the first half of the compression stroke or the end of the intake stroke, which not only provides sufficient vaporization time for the injected fuel to favor a good combustible mixture, but also allows a relatively large amount of fuel to be injected. As a result, it becomes possible to expand the operation region of stratified charge combustion with low fuel consumption to a high load side.
[0036]
In the above-described embodiment, the fuel injection valve is configured to inject the fuel in a conical shape having a small divergence angle, but this is to obtain a penetrating force that does not disperse at the time of collision with the tumble flow. The fuel may be injected in another shape so as to obtain such a penetration force. For example, the fuel may be injected in a column shape or a fan shape having a relatively small thickness. When fuel is injected in a fan shape, it is preferable that the direction parallel to the central axis of the forward or reverse tumble flow be the width direction of the fan-shaped spray. So far, only the stratified combustion has been described, but in a specific engine operating state such as when the engine is under a high load, the fuel is injected in the intake stroke to perform a homogeneous combustion that forms a homogeneous mixture in the cylinder. Is also good.
[0037]
【The invention's effect】
As described above, according to the in-cylinder injection spark ignition internal combustion engine of the present invention, when performing stratified combustion, the fuel injection device responds to the tumble flow rising along the cylinder inner wall on the fuel injection device side. Since the fuel is injected so as to collide with the tumble flow downward from the center axis of the tumble flow at the fuel injection start timing, the fuel injected in this manner is tumbled by the collision with the tumble flow. It is deflected upwards near the central axis of the flow where it vaporizes to form a combustible mixture. Since the pressure near the central axis of the tumble flow is low, the combustible mixture does not disperse and is maintained at one time even at the ignition timing. The ignition plug protruding from the cylinder upper wall and the lump of combustible air-fuel mixture surely come into contact with each other, and thus the combustible air-fuel mixture can be reliably present near the ignition plug at the ignition timing, and this combustible air-fuel mixture can be reliably formed. Can be ignited and burned.
[0038]
Further, according to another in-cylinder injection spark ignition internal combustion engine according to the present invention, when performing stratified combustion, the fuel injection device is used for the tumble flow descending along the cylinder inner wall on the fuel injection device side. Is designed to inject fuel such that the fuel collides with the tumble flow upward from the center axis of the tumble flow at the fuel injection start timing, so that the injected fuel is collided with the tumble flow. The tumble flow is deflected down near the central axis where it evaporates to form a combustible mixture. As described above, the combustible air-fuel mixture is maintained as a lump even at the ignition timing, and can be reliably present near the spark plug.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view showing a first embodiment of a direct injection type spark ignition internal combustion engine according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic vertical sectional view showing a second embodiment of the direct injection type spark ignition internal combustion engine according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic longitudinal sectional view showing a third embodiment of the direct injection type spark ignition internal combustion engine according to the present invention.
4 is a bottom view of a cylinder upper wall in the direct injection spark ignition internal combustion engine of FIG. 3;
FIG. 5 is a diagram for explaining split fuel injection.
FIG. 6 is a schematic vertical sectional view showing a fourth embodiment of the direct injection type spark ignition internal combustion engine according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1, 1 '... intake port 2 ... exhaust port 5 ... piston 6 ... spark plug 7, 7', 7 "... fuel injection device 8 ... groove
