JP2005139989A - 筒内噴射式内燃機関 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】インジェクタの噴孔として、噴射方向軸nに対して角度a1をなす軸C1を中心とする第1の噴孔211と、噴射方向軸nに対して第1の角度a1よりも大きな角度a2をなす軸C2を中心とする第2の噴孔212とを形成する。各噴孔からの噴霧の貫徹力に差を設け、第1の噴孔211からの噴霧の貫徹力を、第2の噴孔212からの噴霧の貫徹力よりも大きくする。貫徹力に差を付けるため、燃料流入部211a,212aの形状又は孔径φ1,φ2を各噴孔の間で異ならせる。
【選択図】 図2
Description
本発明は、成層燃焼時における混合気の層状化と、拡散燃焼時における混合気の均質化とを、1つのインジェクタにより両立させ、各燃焼形態の所要の燃焼性能を達成することを目的とする。
図1は、本発明の一実施形態に係る筒内噴射式内燃機関(以下「エンジン」という。)1aの構成を示している。
シリンダブロック11には、ピストン12が挿入されており、ピストン12の冠面とシリンダヘッド13の下面との間に形成される空間が、燃焼室14となる。シリンダヘッド13には、気筒中心軸mを基準とした一側に吸気ポート15が形成されており、吸気ポート15は、図示しない吸気マニホールドと接続して、吸気通路を形成している。吸気ポート15は、吸気弁16により開放及び遮断され、この吸気弁16は、吸気カム17により駆動される。一方、気筒中心軸mを基準とした他側に排気ポート18が形成されており、排気ポート18は、図示しない排気マニホールドと接続して、排気通路を形成している。排気ポート18は、排気弁19により開放及び遮断され、この排気弁19は、排気カム20により駆動される。
インジェクタ21は、気筒中心軸m上に配置されており、その噴射方向は、気筒中心軸mと平行に、噴射方向線n上に設定されている。なお、ここでいう「平行」とは、完全な平行に限らず、実質的な平行を含む概念である。すなわち、インジェクタ21の噴射方向は、気筒中心軸mと平行又はこれに近い状態にあり、キャビティ121により噴霧を案内して、点火プラグ22周りに向かう噴霧の循環流を形成するという、後述する作用が得られる状態にあればよい。インジェクタ21からは、中空のコーン状に燃料が噴射される。インジェクタ21には、噴孔として、後述のように噴霧に対して異なる貫徹力を与える2つの噴孔が形成されており、各噴孔からの噴霧S1,S2が、頂角の異なる2つのコーンを形成する。インジェクタ21へは、燃料ポンプ23により加圧された燃料が、燃料配管24を介して規定圧力で供給される。燃料ポンプ23は、吸気カム17のカムシャフトに結合されており、エンジン1aの出力により駆動される。
インジェクタ21には、前述のように2つの噴孔が形成されている。第1の噴孔211は、噴霧(以下、第1の噴孔211から噴射される燃料の噴霧を「第1の噴霧」という。)S1に対して比較的に大きな貫徹力を与えるものであり、噴射方向線nとの間に第1の角度a1をなす軸C1を中心に形成されている。第2の噴孔212は、噴霧(以下、第2の噴孔212から噴射される燃料の噴霧を「第2の噴霧」という。)S2に対し、第1の噴霧S1よりも小さな貫徹力を与えるものであり、噴射方向線nとの間に、第1の角度a1よりも大きな第2の角度a2をなす軸C2を中心に形成されている。各噴孔の中心軸C1,C2は、噴射方向線n上で交差させている。第1の噴霧S1と第2の噴霧S2との間で貫徹力を異ならせるため、本実施形態では、第1の噴孔211において、燃料流入部211aを上流に向けて大きく拡径させている。すなわち、第1の噴孔の燃料流入部211aを大きな半径R1を持たせた曲面により形成し、この燃料流入部211aを第2の噴孔の燃料流入部212aよりも大きく拡径させることで、第1の噴孔211に対し、燃料が壁面に沿ってより円滑に流れ込むように構成している。なお、本実施形態では、各噴孔の孔径φ1,φ2は、等しく設定されている。また、第1及び第2の噴孔211,212は、噴射方向線nを基準として周方向に交互に配置され、4つずつ形成されている。
図3(a)は、成層燃焼による運転領域のうち、低負荷側の領域で形成される混合気を示している。この領域では、燃料噴射時期は、圧縮行程中の比較的に遅い時期に設定される。設定された燃料噴射時期において、第1の噴孔211からの燃料は、内側キャビティ121a内に向けて噴射され、第2の噴孔212からの燃料は、外側キャビティ121b内又はキャビティ外の冠面外周部121cに向けて噴射される。噴射後、第1の噴霧S1は、内側キャビティ121aの底面に衝突し、底面及び側壁121dに沿って上方へ案内される。点火時期において、内側キャビティ121a内に第1の噴霧S1が分布するとともに、その上方に第2の噴霧S2が分布する、比較的に小さな混合気塊が形成される。なお、点火時期において、点火プラグ22は、プラグギャップが第2の噴霧S2内にあり、第2の噴霧S2の燃料を着火させる。
本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
第1に、インジェクタ21の噴孔として、第1の噴孔211と第2の噴孔212とを設けるとともに、各噴孔の中心軸C1,C2が噴射方向線nとの間になす角度a1,a2を異ならせ、角度a2の方を大きな値に設定することとした。このため、成層燃焼時には、第1の噴孔211からの第1の噴霧S1をキャビティ121により案内して、点火プラグ22周りに集中させる一方、拡散燃焼時には、第2の噴孔212からの第2の噴霧S2を燃焼室14の壁面近傍にまで速やかに拡散させることができ、成層燃焼時における混合気の層状化と、拡散燃焼時における混合気の均質化とを、1つのインジェクタ21により両立させることができる。
第4に、成層燃焼時において、エンジン1の負荷に応じて燃料噴射時期を異ならせ、低負荷側の領域では、第1の噴孔211からの燃料を内側キャビティ121a内に向けて噴射することで、内側キャビティ121a内及びその上方に噴霧を分布させた、比較的に小さな混合気塊を形成する一方、高負荷側の領域では、第1の噴孔211からの燃料を外側キャビティ121b内に向けて噴射することで、内側及び外側キャビティ121a,121b内及びその上方に噴霧を分布させた、低負荷側の領域におけるよりも大きな混合気塊を形成することとした。このため、噴射される燃料の量の応じて混合気塊の大きさを変化させ、混合気塊の空燃比を全体として適切なものとすることができるので、空燃比が過度に高くなったり、低くなったりすることで、エミッションが悪化するのを防止することができる。
以上では、第1の噴霧S1と第2の噴霧S2との間で貫徹力を異ならせるため、噴孔の燃料流入部211a,212aの形状を異ならせることとした。貫徹力を異ならせる方法として、次に示す他の方法を採用してもよい。
図4に示すインジェクタ21では、噴孔の孔径φを第1の噴孔211(φ=φ1)と、第2の噴孔212(φ=φ2)との間で異ならせることで、噴霧の貫徹力を異ならせることとしている。第1の噴孔211の孔径φ1を、第2の噴孔212の孔径φ2よりも大きな値に設定している。中心軸C1,C2が噴射方向線nとの間になす角度a1,a2の関係や、中心軸C1,C2の交点と噴射方向線nとの関係等、孔径φ以外の設定は、前述同様である。
図6は、本発明の他の実施形態に係るエンジン1bの構成を示している。
エンジン1bは、先のエンジン1aに対し、ピストンのキャビティ121の形状のみが異なる。他の構成は、エンジン1aと同様である。すなわち、エンジン1bにおいて、ピストン12の冠面には、気筒中心軸mを中心として、底面121fが平坦に形成された1つのキャビティ121のみが設けられている。このキャビティ121とキャビティ外の冠面外周部121cとの間は、気筒中心軸mとほぼ平行に形成された側壁121dにより隔てられている。
図7(a)は、成層燃焼による運転領域のうち、低負荷側の領域で形成される混合気を示している。この領域では、燃料噴射時期は、圧縮行程中の比較的に遅い時期に設定される。設定された燃料噴射時期において、第1の噴孔211からの燃料は、キャビティ121の中央部付近に向けて噴射され、第2の噴孔212からの燃料は、キャビティ121の外縁部付近又はキャビティ外の冠面外周部121cに向けて噴射される。噴射後、第1の噴霧S1は、キャビティ121の底面121fに衝突し、底面121fに沿って外側へ案内される。点火時期において、キャビティ121の中央部及びその周囲に第1の噴霧S1が分布するとともに、その上方に第2の噴霧S2が分布する、比較的に小さな混合気塊が形成される。なお、点火時期は、噴射後、第1の噴霧S1の拡散が進んでこの噴霧S1が側壁121dに到達する前に設定する。点火時期において、点火プラグ22は、プラグギャップが第2の噴霧S2内にあり、第2の噴霧S2の燃料を着火させる。
本実施形態によっても先の実施形態によると同様の効果を得ることができる。
すなわち、インジェクタ21の噴孔として、中心軸C1,C2が噴射方向線nとの間になす角度a1,a2と、噴霧S1,S2に与える貫徹力とが異なる第1及び第2の噴孔211,212を設けたことで、成層燃焼時における混合気の層状化と、拡散燃焼時における混合気の均質化とを両立させることができる。第2の噴霧S2の貫徹力を第1の噴霧S1の貫徹力よりも小さくすることで、潤滑オイルが希釈されるのを防止しつつ、この効果を得ることができる。
Claims (12)
- 冠面にキャビティを有するピストンと、
前記キャビティの中央部上方に位置し、かつ噴射方向がピストンの移動方向と平行であるインジェクタと、
インジェクタにより噴射された燃料を着火させるための点火プラグと、を含んで構成され、
インジェクタは、中心軸が噴射方向との間に第1の角度をなす第1の噴孔と、中心軸が噴射方向との間に第1の角度よりも大きい第2の角度をなし、かつ噴霧に対し、第1の噴孔とは異なる貫徹力を与える第2の噴孔とを有する筒内噴射式内燃機関。 - 第1の噴孔が与える貫徹力が、第2の噴孔が与える貫徹力よりも大きい請求項1に記載の筒内噴射式内燃機関。
- 第1の噴孔は、燃料流入部が下流から上流に向け、第2の噴孔の燃料流入部よりも大きく拡径している請求項2に記載の筒内噴射式内燃機関。
- 第1の噴孔は、孔径が第2の噴孔よりも大きい請求項2又は3に記載の筒内噴射式内燃機関。
- 第1の噴孔と第2の噴孔とが、インジェクタの中心軸を基準とした周方向に交互に位置する請求項1〜4のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関。
- 着火時に形成される混合気塊において、キャビティ内に第1の噴孔からの噴霧が、その上方に第2の噴孔からの噴霧が分布する請求項1〜5のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関。
- インジェクタの動作を制御するコントローラを更に含んで構成され、
コントローラは、インジェクタの噴射時期として、クランク角に関して比較的に遅い第1の噴射時期と、第1の噴射時期よりもクランク角に関して早い第2の噴射時期とを設定し、これらの噴射時期をエンジンの運転状態に応じて切り換える請求項1〜6のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関。 - キャビティとして、ピストンの冠面中央部に形成された内側キャビティと、この内側キャビティの周囲に形成された外側キャビティとが設けられ、
第1の噴射時期において、第1の噴孔からの燃料が内側キャビティ内に向けて、第2の噴孔からの燃料が外側キャビティ内又はキャビティ外に向けて噴射される請求項7に記載の筒内噴射式内燃機関。 - キャビティとして、ピストンの冠面中央部に形成された内側キャビティと、この内側キャビティの周囲に形成された外側キャビティとが設けられ、
第2の噴射時期において、第1の噴孔からの燃料が外側キャビティ内に向けて、第2の噴孔からの燃料がキャビティ外に向けて噴射される請求項7に記載の筒内噴射式内燃機関。 - キャビティとして、ピストンの冠面中央部に形成された内側キャビティと、この内側キャビティの周囲に形成された外側キャビティとが設けられ、
第1の噴射時期において、第1の噴孔からの燃料が内側キャビティ内に向けて、第2の噴孔からの燃料が外側キャビティ内又はキャビティ外に向けて噴射され、
第2の噴射時期において、第1の噴孔からの燃料が外側キャビティ内に向けて、第2の噴孔からの燃料がキャビティ外に向けて噴射され、
コントローラは、エンジンの運転状態が低負荷側の領域にあるときに第1の噴射時期を選択し、この運転状態が高負荷側の領域にあるときに第2の噴射時期を選択する請求項7に記載の筒内噴射式内燃機関。 - 点火プラグは、第2の噴霧の燃料を着火させる請求項1〜10のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関。
- 冠面にキャビティを有するピストンと、
前記キャビティの中央部上方に位置し、かつ噴射方向がピストンの移動方向と平行であるインジェクタと、
インジェクタにより噴射された燃料を着火させるための点火プラグと、を含んで構成され、
インジェクタは、第1の噴孔と第2の噴孔とを有し、
第1の噴孔から噴射された燃料の第1の噴霧は、インジェクタの噴射方向との間に第1の角度をなす方向に進行し、
第2の噴孔から噴射された燃料の第2の噴霧は、インジェクタの噴射方向との間に第1の角度よりも大きい第2の角度をなす方向に、かつ第1の噴霧とは異なる貫徹力で進行する筒内噴射式内燃機関。
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