JP2005139988A - 筒内直接噴射式内燃機関の燃焼室構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 筒内直接噴射式内燃機関の燃焼室内に、適切な成層混合気を形成して良好な成層燃焼が行われるようにする。
【解決手段】 燃焼室上面の略中央部に設置した燃料噴射弁１１からの燃料噴霧の中心軸１１ａを、ピストン４の中心軸に対して傾斜させると共に、主に外側キャビティ１４により成層混合気を形成する燃料噴射時期範囲のピストン位置において、ピストン冠面上の外側キャビティ１４の中心点１４ａが、燃料噴射弁１１からの噴霧中心軸と重なるように外側キャビティを配置すると共に、主に内側キャビティ１５により成層混合気を形成する燃料噴射時期範囲のピストン位置において、ピストン冠面上の内側キャビティ１５の中心点１５ａが、噴霧中心軸１１ａと重なるように内側キャビティを配置した。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃焼室内に直接燃料を噴射する内燃機関の燃焼室構造に関し、特に、成層混合気の形成を良好に行うための技術に関する。

燃料噴射弁から燃焼室内に燃料を直接噴射し、筒内に成層化した混合気を形成することで、大幅な希薄燃焼を行う内燃機関は、特に低・中負荷において、大幅に燃料消費が低減できることが知られている。
このような筒内直接噴射式内燃機関においては、混合気を着実に点火・燃焼せしめるために、機関の回転速度、負荷に応じて、筒内に適切な大きさ、空燃比の混合気塊を、確実に成層化した状態で形成することが重要である。

このような筒内直接噴射式内燃機関において、より広範囲の運転条件にて最適な混合気を形成せしめるため、燃焼室の上面の中央部付近にほぼ直立した噴射弁を配置し、この噴射弁からピストン上面に設けたキャビティ部に向けて燃料を噴射し、成層混合気を形成する方法が知られている。
例えば、燃焼室上壁中央部に燃料噴射弁を配置するとともに、ピストン上壁の中央部に深いキャビティを有し、その外周に比較的浅いバルブリセス部を有しており、運転条件に応じて噴射時期を変化させることにより、成層混合気の形成状態を変化させることを可能としており、より広い運転範囲での成層運転を可能とするものである（特許文献１参照）。
特開２０００−２６５８４１号公報

しかしながら、燃料噴射弁を燃焼室中央部に配置するにあたり、実際には完全にピストンの中心軸に平行、すなわち燃料噴射弁がピストン冠面に垂直に相対する向きに配置することが困難な場合があり、例えばピストン中心軸に対して多少傾けて取り付けることがある。このような場合に、噴霧の噴射方向も傾くため、噴射時期によっては噴霧がピストンのキャビティからはみ出す場合がある。

その結果、例えばピストン上面中央部の深いキャビティから噴霧がこぼれることにより、混合気の成層状態がくずれ、燃焼安定性が悪化したり、未燃のＨＣが排出されるといった問題があった。あるいは、外周部のピストンリセスから噴霧がはみ出した場合は、シリンダ壁面に噴霧が到達し、ＨＣの排出が増大するという問題もあった。
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、燃焼室略中央部にピストン中心軸方向に対して傾いた噴霧をピストン上面のキャビティに向けて噴射する場合においても、適切な成層混合気が形成されるようにすることを目的とする。

このため、本発明は、
火花点火燃焼を行う内燃機関において、燃焼室上面の略中央部に設置した燃料噴射弁からの燃料噴霧の中心軸を、ピストン中心軸に対して傾斜させると共に、ピストン冠面に設けられるキャビティを、内側と外側の２重形状になったそれぞれ略円形のキャビティに形成し、かつ、これら両キャビティの中心を、ピストン中心軸と直角な水平方向にずらして設置した構成とした。

本発明によれば、内外のキャビティを使って成層混合気を形成する場合に、それぞれ噴霧がこぼれない位置に内外のキャビティを設置することで、より広い運転条件において適切な成層混合気を形成することが可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の実施形態の構成を示すものであり、この内燃機関は、燃焼室１と、該燃焼室１を形成するシリンダヘッド２と、シリンダブロック３と、ピストン４と、吸気ポート５と、排気ポート６と吸気弁７と、排気弁８と、吸気弁用カム９と、排気弁用カム１０と、燃料噴射弁１１と、点火プラグ１２と、エンジンコントロールユニット１３を備える。

燃料噴射弁１１は、燃焼室１上面の中央部付近に配置されているが、点火プラグ１２との干渉を避ける等の理由で、燃焼室１中心から多少オフセットするとともに、ピストン中心軸に対して傾斜した配置としている。燃料噴射弁１１からの燃料噴霧の中心軸１１ａは、燃料噴射弁１１の中心軸と一致したものであり、すなわち噴霧中心軸１１ａもピストン中心軸に対して傾斜する。

前記ピストン４の冠面には、略円形で径の異なる外側キャビティ１４と内側キャビティ１５が、2重に配置されている。
図２に示すように燃焼室１上方から見た場合に、外側キャビティ１４と内側キャビティ１５のピストン冠面上の中心点１４ａ、１５ａは、噴霧中心軸１１ａ上に配置されており、また燃料噴射弁１１に近い側に内側キャビティ中心点１５ａ、遠い側に外側キャビティ中心点１４ａが位置するように配置されている。

さらに両中心点１５ａ，１４ａの位置を詳細に説明すると、図３に示すように燃焼室１側方から見た場合に、外側キャビティ中心点１４ａは、上死点前４０°〜７０°の範囲内で、噴霧中心軸１１ａと重なるように配置されている。ここで、上死点前４０°〜７０°の範囲とは、主に外側キャビティ１４により成層混合気を形成する場合の燃料噴射時期の設定範囲である。また図４に示すように内側キャビティ中心点１５ａは上死点前０°〜３０°の範囲内で、噴霧中心軸１１ａと重なるように配置されている。ここで、上死点前０°〜３０°の範囲とは、主に内側キャビティ１５により成層混合気を形成する場合の燃料噴射時期の設定範囲である。

以上の構成とすることにより、上記上死点前４０°〜７０°の範囲内で比較的早めに噴射した噴霧によって主に外側キャビティ１４により成層混合気を形成する運転条件では、噴霧中心軸１１ａが外側キャビティ１４の中心点１４ａと重なるため、噴霧中心軸１１ａの周囲に略軸対称に広がった噴霧は、外側キャビティ１４からのこぼれを抑制されながら外側キャビティ１４内を循環することで比較的大きな成層混合気を形成することができる。

また、上死点前０°〜３０°の範囲内で比較的遅めに噴射した噴霧によって主に内側キャビティ１５により成層混合気を形成する運転条件では、噴霧中心軸１１ａが内側キャビティ１５の中心点１５ａと重なるため、噴霧中心軸１１ａの周囲に略軸対称に広がった噴霧は内側キャビティ１５内からのこぼれを抑制されながら内側キャビティ１５内およびその上空の範囲に小さな成層混合気を形成することができる。

この結果、広範囲の成層運転条件において、適切な成層混合気の形成を可能とし、燃費を向上できるとともに、キャビティからこぼれる燃料を低減できるため、未燃ＨＣの排出も大幅に低減することが可能となる。
以上の説明は、燃料噴射弁１１が吸気弁側若しくは排気弁側には傾斜していない場合で説明したが、これらの側に傾斜した場合においても、その傾斜した噴霧中心軸に対して外側キャビティと内側キャビティの中心を本発明に基づいて配置することで、同様の効果が得られることは明らかである。

本発明の実施形態の構成を示すピストンピンの軸方向及び該軸方向と直角な方向からみた側面図。 同上実施形態のピストンキャビティの配置を示す平面図。 同上実施形態の外側キャビティ内に成層混合気を形成する様子を示す側面図。 同上実施形態の内側キャビティ内に成層混合気を形成する様子を示す側面図。

符号の説明

１ 燃焼室
２ シリンダヘッド
３ シリンダブロック
４ ピストン
１１ 燃料噴射弁
１２ 点火プラグ

Claims (7)

1. 燃焼室上面の略中央部に設置した燃料噴射弁からピストン冠面に設けたキャビティに向けて燃料を噴射し、点火プラグにて火花点火燃焼を行う筒内直接噴射式内燃機関の燃焼室構造であって、
   前記燃料噴射弁からの燃料噴霧の中心軸を、ピストン中心軸に対して傾斜させると共に、前記キャビティを、内側と外側の２重形状になったそれぞれ略円形のキャビティに形成し、かつ、これら両キャビティの中心を、ピストン中心軸と直角な水平方向にずらして設置したことを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関の燃焼室構造。
2. 燃焼室上方から見た場合に、前記両キャビティの中心が、前記燃料噴射弁からの燃料噴射方向側にあり、噴孔から内側キャビティ中心までの水平方向距離が、噴孔から外側キャビティ中心までの水平方向距離に対して短くなるように、両キャビティを配置したことを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関の燃焼室構造。
3. 前記両キャビティのうち少なくとも一方のキャビティの中心を、燃焼室上方から見た場合の前記燃料噴射弁からの燃料噴霧の中心軸上に配置したことを特徴とする請求項２に記載の筒内直接噴射式内燃機関の燃焼室構造。
4. 少なくとも内側キャビティの中心を、燃焼室上方から見た場合の燃料噴射弁からの燃料噴霧の中心軸上に配置したことを特徴とする請求項３に記載の筒内直接噴射式内燃機関の燃焼室構造。
5. 上記両キャビティの中心を、燃焼室上方から見た場合の燃料噴射弁からの燃料噴霧の中心軸上に配置したことを特徴とする請求項４に記載の筒内直接噴射式内燃機関の燃焼室構造。
6. 主に外側キャビティにより成層混合気を形成する燃料噴射時期範囲のピストン位置において、ピストン冠面上の外側キャビティの中心点が、前記燃料噴射弁からの噴霧中心軸と重なるように外側キャビティを配置すると共に、主に内側キャビティにより成層混合気を形成する燃料噴射時期範囲のピストン位置において、ピストン冠面上の内側キャビティの中心点が、燃料噴射弁からの噴霧中心軸と重なるように内側キャビティを配置したことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関の燃焼室構造。
7. 前記外側キャビティにより成層混合気を形成する燃料噴射時期範囲は、圧縮上死点前４０〜７０°のクランク角範囲であり、上記内側キャビティにより成層混合気を形成する燃料噴射時期範囲は、圧縮上死点前０〜3０°のクランク角範囲であることを特徴とする請求項６に記載の筒内直接噴射式内燃機関の燃焼室構造。

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