JP2005030321A - 筒内直噴式火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の運転条件に対応する筒内雰囲気密度の差異により燃料噴霧の進行方向を制御する筒内直噴式火花点火内燃機関を提供する。
【解決手段】点火プラグ４と燃料噴射弁６の間にシュラウド部１９を設け、燃料噴射弁６をシュラウド部１９により点火プラグ４側を覆い、燃料噴射弁６を凹部１１に配設する構成により，吸気行程噴射時と圧縮行程噴射時における筒内空気密度の差異を利用して、燃料噴霧の進行方向を変更でき、成層混合気の良好な形成ができ、壁面付着燃料に起因するＨＣを低減でき、高い熱効率と共に高出力を実現できる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関の運転条件に対応する筒内雰囲気密度の差異により燃料噴霧の進行方向を制御するようにした筒内直噴式火花点火内燃機関の改良に関する。

従来、内燃機関の圧縮行程にピストンに設けたキャビティに向けて燃料を噴射し、燃料噴霧をキャビティ形状に沿わせて点火プラグへ誘導し、点火プラグまわりに成層した混合気を形成するものがある（特開平９−１５８７３６号公報）。
また、従来、圧縮行程に直接点火プラグの配設とは異なる方向に燃料を噴射して、筒内気流により燃料噴霧を点火プラグ方向へ導き、点火プラグまわりに成層した混合気を形成するものがある（特開平１１−２００８６６号公報、特開２０００−１１０５６８号公報、特開２０００−３５６１５１号公報））。

特開平９−１５８７３６号公報 特開平１１−２００８６６号公報 特開２０００−１１０５６８号公報、 特開２０００−３５６１５１号公報

前者は、燃料噴霧をピストンに設けたキャビティなどの壁に衝突させるために、付着する燃料に起因する未燃ＨＣが多く、吸気行程の噴射時にも燃料の一部はキャビティ内へ噴射されるため、キャビティを設けない場合に比べて混合気の均質度が低下して高出力を得ることが難しい。
また、後者は、成層燃焼時に、燃料噴霧を筒内気流により曲げるため、比較的強い気流が必要となる。強い気流を生じる吸気ポートは、一般的に流量係数が低く、高出力を得ることが難しい。さらに、気流速度はエンジン回転数に依存するため、広い回転数範囲で安定した成層混合気を形成するには、別途、特別に配設する装置により運転条件に応じて気流を制御する必要がある。

本発明は、以上の課題を解決するために案出されたものである。すなわち、本発明の目的は、内燃機関の運転条件に対応する筒内雰囲気密度の差異により燃料噴霧の進行方向を制御するようにした筒内直噴式火花点火内燃機関を提供することにある。

請求項１に記載の筒内直噴式火花点火内燃機関は、燃焼室内に臨ませた点火プラグと燃料噴霧の噴射方向が直接点火プラグの配設方向と異なる方向に配置された燃料噴射弁をシリンダヘッドに有する筒内直噴式火花点火内燃機関において、燃料噴射弁と点火プラグとの間のシリンダへッドの燃焼室壁面にシュラウド部を設けると共に、シュラウド部を介在して燃料噴射弁をシリンダへッドの燃焼室壁面に設けた凹部に配設し、内燃機関の運転条件に対応する筒内雰囲気密度の差異により燃料噴霧の進行方向を制御するようにしたことを特徴とする。

請求項２に記載の筒内直噴式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内直噴式火花点火内燃機関において、シリンダヘッドに設けられた凹部の深さが、燃料噴霧の噴射方向軸に対して点火プラグ側とその反対側で異なり、点火プラグ側の方を深くしたことを特徴とする。

請求項３に記載の筒内直噴式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内直噴式火花点火内燃機関において、凹部の深さは、凹部を構成する壁面と燃料噴霧とが干渉しない長さであることを特徴とする。

請求項４に記載の筒内直噴式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内直噴式火花点火内燃機関において、凹部を構成する壁面の形状は、燃料噴霧の噴射方向軸に対して点火プラグ側の壁面の延長方向を、燃料噴霧外形の延長方向と交わり、または少なくとも平行であることを特徴とする。

請求項５に記載の筒内直噴式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内直噴式火花点火内燃機関において、凹部を構成する壁面の形状は、この壁面と燃料噴霧外形の最接近部で壁面と燃料噴霧との距離が、燃料噴霧軸と噴霧外形との距離以下であることを特徴とする。

請求項６に記載の筒内直噴式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内直噴式火花点火内燃機関において、凹部を構成する壁面の形状は、燃料噴霧軸に垂直な平面とこの平面上で噴霧外形線と接し、燃料噴射弁と点火プラグを結ぶ線と燃料噴霧軸を含む平面に平行な２つの平面および凹部で囲まれる空間において、燃料噴霧軸に対して点火プラグ側の空間容積のうち、燃料噴霧容積の占める割合が１／４以上となる平面の位置に存在するようにしたことを特徴とする。

請求項７に記載の筒内直噴式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内直噴式火花点火内燃機関において、内燃機関の高負荷時には燃料を吸気行程に噴射し、燃料が点火プラグに付かずに均質な混合気を形成し、低負荷時には燃料を圧縮行程中に噴射して燃料噴射方向から燃料噴霧を点火プラグ側へ偏向させて、点火プラグ回りに成層した混合気を形成するようにしたことを特徴とする。

上記構成からなる本発明の筒内直噴式火花点火内燃機関は、燃料噴霧への周囲空気のエントレインが、特に、燃料噴射弁に近い根元付近で活発である。そこで、燃料噴射弁近傍の一部に壁部によるシュラウド部を形成することにより、当該部位からの空気導入が制限されるのである。このため、燃料噴霧内に取り込む周囲空気の運動量が、シュラウド部側とその反対側ではアンバランスとなるのである。すなわち、燃料噴霧内にシュラウド部の反対側からシュラウド部方向へ向かう運動量が増するのである。また、燃料噴霧とシュラウド部との間の筒内圧力が低下することも合わせ、燃料噴霧の進行方向は、シュラウド部側へ曲げられるのである。このような効果は、雰囲気密度が高いほど大きく、大気条件程度では小さい傾向があり、吸気行程の燃料噴射時では燃料噴霧が偏向されず燃料噴射軸方向へ進行し、また、圧縮行程の燃料噴射時では、燃料噴霧がシュラウド部の方向へ偏向されるのである。

このように、本発明は、シリンダヘッドにシュラウド部を設けた凹部に燃料噴射弁を設け、燃料噴射弁の近傍の一部（燃料噴射方向軸に対して点火プラグ側）がシュラウド部で覆う構成の筒内直噴式火花点火内燃機関により、吸気行程噴射時と圧縮行程噴射時で筒内ガス密度の違いを利用し、燃料噴霧の進行方向を変えることができる。すなわち、吸気行程噴射時は、点火プラグに当たらないような方向（燃料噴霧軸方向）に燃料を噴射し、圧縮行程噴射時には、点火プラグの配設方向に燃料噴霧の進行方向を偏向することにより、点火プラグまわりに良好な成層混合気を形成することができる。このように、本発明は、成層混合気の形成に、ピストンのキャビティ等の壁面に燃料を衝突させたり、強い気流を設けたりする必要がないため、壁面に付着する燃料に起因するＨＣを低減することができ、高い熱効率と共に高出力を特別な制御装置を設けることなく実現することができる。

本発明の実施形態の筒内直噴式火花点火内燃機関は、図１ないし図７に示すように、シリンダ１のほぼ中心部位には燃焼室２に点火部３を臨ませた点火プラグ４が、また、この点火プラグ４から離れた側方部位には燃焼室２に噴射孔５を臨ませた燃料噴射弁６がそれぞれシリンダヘッド７に配置されている。燃料噴射弁６は、噴射孔５から供給される燃料噴霧Ｓの軸８が直接点火プラグ４の点火部３に当接しないように、シリンダ１の軸芯に対して平行または交叉するようにやや下方へ向けて噴射可能に設けられている。シリンダへッド７の燃焼室２の壁面には、燃料噴射弁６と点火プラグ４との間に張り出したシュラウド部１９が設けられている。シリンダヘッド７には、燃料噴射弁６を挿入して取り付ける取付孔９が設けられている。図４に示すように、取付孔９の壁面と燃料噴射弁６の端部１０により凹部１１が形成されインジェクタ位置を設定されている。噴射孔５の位置からみた凹部１１の深さ１２は、燃料噴射弁６の取付孔９の傾きおよび燃料噴射弁６の取り付け位置を適正に配置することにより、燃料噴霧軸８に対して点火プラグ４側の深さ１３が、その反対側１４より深く構成されている。そして、凹部１１の深さは、図４に示すように、燃料噴霧Ｓと干渉するほど深くなく、いずれの噴射条件においても燃料噴霧Ｓがシリンダヘッド７の下面に当たることがないように構成されている。なお、図中、Ｐはピストンを、１５は吸気弁、１６は排気弁、１７は吸気通路、１８は排気通路をそれぞれ示す。

上記構成からなる本発明の実施形態の筒内直噴式火花点火内燃機関は、高負荷時に、燃料噴射弁６から燃料を吸気行程中に噴射供給して燃焼室２内に均質な混合気を形成することができる。一方，低負荷時には、燃料噴射弁６から燃料を圧縮行程中に噴射供給して燃焼室２内において点火プラグ４まわりに成層した混合気を形成することができる。それぞれの混合気の形成過程については、燃料噴射弁６から燃焼室２内に燃料が噴射される方向が、点火プラグ４の点火部３に当接する方向ではないため、吸気行程噴射では、図１に示すように、燃料噴霧Ｓが燃料噴霧軸８の方向へ進行し、未蒸発の燃料が点火プラグ４の点火部３に付着することはないのである。一方、圧縮行程噴射では、図２に示すように、シュラウド部１９により点火プラグ４の方向へ燃料噴射弁６からの燃料噴霧Ｓが偏向され、点火プラグ４のまわりに成層混合気を形成することができる。すなわち、この場合、燃焼室２内の筒内空気は圧縮され高温となっているので、燃料噴射弁６から噴射された燃料の蒸発は十分に早く、点火プラグ４の点火部３に付着することはないのである。

ここで、本発明とは異なり、図５に示す従来のように、燃料噴射弁６の近傍で壁のようなシュラウド部を設けない場合、燃料噴射弁６を自由噴霧すると、燃料噴霧Ｓの根元付近から周囲空気２０が燃料噴霧Ｓ内へとエントレインされるのである。一方、図６に示す本発明のように、燃料噴射弁６の近傍の一部が壁のようなシュラウド部１９を設け囲まれ覆われるようにした場合には、当該部位からの周囲空気２０の燃料噴霧Ｓ内へのエントレインが制限されるのである。このため、図１４に示すように、シュラウド部１９と反対側から燃料噴霧Ｓへと向かう空気の運動量のみを選択的に燃料噴霧Ｓ内に取り込むことになる。さらに、燃料噴霧Ｓとシュラウド部１９との間の空間では、圧力が低下することも相俟って、燃料噴霧Ｓがシュラウド部１９側に曲げられるのである。このエントレインされる空気の運動量はその密度に比例し、図５に示すように、エントレイン領域の長さＬは周囲空気の密度の−１／２乗に比例するのである。

このため、有限な長さの壁のようなシュラウド部１９の場合、燃料噴霧Ｓのシュラウド部１９側の方向への偏向の程度は、空気密度に対しておおよそ図７に示す関係にあるのである。すなわち、空気密度が高いほど、燃料噴霧Ｓは偏向の影響を受け易いのである。したがって、本発明の実施形態の筒内直噴式火花点火内燃機関は、空気密度の高い圧縮行程噴射では、燃料噴霧Ｓを点火プラグ４側へ曲げることができる。一方、空気密度の低い吸気行程噴射ではシュラウド部１９の影響は小さく、燃料噴霧軸８の方向へ燃料噴霧Ｓを供給することができる。

本発明の実施形態の筒内直噴式火花点火内燃機関では、燃料噴霧Ｓの進行方向をピストンＰに設けたキャビティなどの壁面により偏向させる必要がないため、燃料噴霧Ｓと燃焼室２の壁面との衝突が避けられるのである。これにより，燃料の壁面付着に起因する未燃ＨＣが増大するおそれがない。また、ピストンＰに深いキャビティを設ける必要もないため、吸気行程噴射時には良好な均質混合気が形成でき、さらに、燃料噴霧Ｓの偏向に強い気流を必要としないために、流量係数の高い吸気ポートを採用することができ、出力が増大することができる。しかも、燃料噴霧Ｓの進行方向の偏向程度は、吸気行程噴射時と圧縮行程噴射時との雰囲気密度の違いに関係する。すなわち、燃料噴霧Ｓの進行方向の偏向程度は、燃料の噴射時期の調整だけで変更することができるため、特別な制御装置を不要とし、機関回転数の依存も小さいため、広い運転条件で安定した混合気形成ができる作用効果を有する。

発明を実施するための形態

本発明を実施するための形態における筒内直噴式火花点火内燃機関は、図８に示すように、燃料噴射弁６の一部２２がシリンダヘッド７の燃焼室２の壁面より突出して配設しても良いよい。すなわち、点火プラグ４側とは反対側の凹部２１の壁面２３は、燃料噴射弁６の取付孔２９の側壁により構成する必要がなく構成の簡素化を図ることができる。また、凹部３１は、図９および図１０に示すように、テーパ面により形成することができる。図９にあっては燃料噴霧軸３８に対して点火プラグ４側の凹部３１側面の延長方向３６と壁面側の噴霧外形３７の延長方向が、少なくとも平行に構成されている。また、図１０にあっては燃料噴霧軸４８に対して点火プラグ４側の凹部４１側面の延長方向４６と壁面側の噴霧外形４７の延長方向が、交叉するように構成されている。上記構成からなる本発明の他の実施形態における筒内直噴式火花点火内燃機関は、前記本発明の実施形態における筒内直噴式火花点火内燃機関とほぼ同様の作用効果を有する。

本発明を実施するための形態における筒内直噴式火花点火内燃機関は、図１１に示すように、凹部５１側の壁面５６と燃料噴霧外形５７が最も近づく点で、壁面５６と燃料噴霧Ｓとの距離が、燃料噴霧軸５８と燃料噴霧外形５７との距離以下に構成されている。また、図１２、図１３に示すように、燃料噴霧軸６８に垂直な平面６６とこの平面上で燃料噴霧外形６７と接し燃料噴射弁６と点火プラグ４を結ぶ線と燃料噴霧軸６８を含む平面に平行な２つの平面６４、６５および燃焼室２で囲まれる空間において、燃料噴霧軸６８に対して点火プラグ４側の空間容積のうち、噴霧容積の割合が１／４以上となる平面の位置が存在するように構成することができる。上記構成からなる本発明の他の実施形態における筒内直噴式火花点火内燃機関は、前記本発明の実施形態における筒内直噴式火花点火内燃機関とほぼ同様の作用効果を有する。

本発明を実施するための形態における筒内直噴式火花点火内燃機関は、図１４ないし図１６に示すように、シリンダ７１のほぼ中心に、点火プラグ４と燃料噴射弁６が配置されている。シリンダヘッド７２と燃料噴射弁６により凹部７１が形成され、燃料噴霧軸７８に対して点火プラグ４側の凹部７１の深さが、その反対側より深く構成されている。点火プラグ４の先端位置は、図１４に示すように、燃料噴霧外形７７の外にあり、吸気行程噴射では，噴射された燃料が点火プラグ４を直接当たらないように構成されている。そして、圧縮行程噴射では、図１５に示すように、燃料噴霧７７が点火プラグ４の方向へ偏向され、成層した混合気への点火が可能となるのである。この場合は、気流、ピストンＰのキャビティなどその他の制御手段を用いなくても、燃料噴射時期の調整のみにより上記の混合気形成過程を制御することができる。

実施形態の筒内直噴式火花点火内燃機関を示す概要図である。 実施形態の筒内直噴式火花点火内燃機関を示す概要図である。 実施形態の筒内直噴式火花点火内燃機関を示す平面図である。 実施形態の筒内直噴式火花点火内燃機関の要部を示す概要図である。 他の実施形態の内燃機関の要部を示す概要図である。 他の実施形態の内燃機関の要部を示す概要図である。 他の実施形態における空気密度と燃料噴霧偏向の程度を示す線図である。 他の実施形態の内燃機関の要部を示す概要図である。 他の実施形態の内燃機関の要部を示す概要図である。 他の実施形態の内燃機関の要部を示す概要図である。 他の実施形態の内燃機関要部を示す概要図である。 他の実施形態の内燃機関の要部を示す概要図である。 他の実施形態の内燃機関の要部を示す概要図である。 他の実施形態の内燃機関の要部を示す概要図である。 他の実施形態の内燃機関要部を示す概要図である。 他の実施形態の内燃機関の要部を示す平面図である。

符号の説明

１…シリンダ
２…燃焼室
４…点火プラグ
６…燃料噴射弁
７…シリンダヘッド
１１…凹部
１９…シュラウド部
Ｓ…燃料噴霧
２０…周囲空気
８…燃料噴霧軸

Claims (7)

1. 燃焼室内に臨ませた点火プラグと燃料噴霧の噴射方向が直接点火プラグの配設方向と異なる方向に配置された燃料噴射弁をシリンダヘッドに有する筒内直噴式火花点火内燃機関において、燃料噴射弁と点火プラグとの間のシリンダへッドの燃焼室壁面にシュラウド部を設けると共に、シュラウド部を介在して燃料噴射弁をシリンダへッドの燃焼室壁面に設けた凹部に配設し、内燃機関の運転条件に対応する筒内雰囲気密度の差異により燃料噴霧の進行方向を制御するようにしたことを特徴とする筒内直噴式火花点火内燃機関。
2. シリンダヘッドに設けられた凹部の深さが、燃料噴霧の噴射方向軸に対して点火プラグ側とその反対側で異なり、点火プラグ側の方を深くしたことを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴式火花点火内燃機関。
3. 凹部の深さは、凹部を構成する壁面と燃料噴霧とが干渉しない長さであることを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴式火花点火内燃機関。
4. 凹部を構成する壁面の形状は、燃料噴霧の噴射方向軸に対して点火プラグ側の壁面の延長方向を、燃料噴霧外形の延長方向と交わり、または少なくとも平行であることを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴式火花点火内燃機関。
5. 凹部を構成する壁面の形状は、この壁面と燃料噴霧外形の最接近部で壁面と燃料噴霧との距離が、燃料噴霧軸と噴霧外形との距離以下であることを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴式火花点火内燃機関。
6. 凹部を構成する壁面の形状は、燃料噴霧軸に垂直な平面とこの平面上で噴霧外形線と接し、燃料噴射弁と点火プラグを結ぶ線と燃料噴霧軸を含む平面に平行な２つの平面および凹部で囲まれる空間において、燃料噴霧軸に対して点火プラグ側の空間容積のうち、燃料噴霧容積の占める割合が１／４以上となる平面の位置に存在するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴式火花点火内燃機関。
7. 内燃機関の高負荷時には燃料を吸気行程に噴射し、燃料が点火プラグに付かずに均質な混合気を形成し、低負荷時には燃料を圧縮行程中に噴射して燃料噴射方向から燃料噴霧を点火プラグ側へ偏向させて、点火プラグ回りに成層した混合気を形成するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴式火花点火内燃機関。