JP2005163632A - 筒内直接噴射式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃焼室４上面の略中央部に配置される燃料噴射弁９と、該燃料噴射弁９から噴射される燃料噴霧の中心軸と略同一中心軸となるようなキャビティ１１を持つピストン３を備える場合に、燃料噴射弁９の傾斜配置などにかかわらず、燃料噴霧のキャビティ１１上空への巻き上げ力を均一化し、キャビティ１１上空に均質な混合気塊を形成可能とする。
【解決手段】 燃料噴射弁９からピストンキャビティ１１壁面までの距離が遠い側に噴射される燃料の運動量を、キャビティ壁面までの距離が近い側に対して、大きくする。具体的には、燃料噴射弁９にマルチホールノズル噴射弁を用い、キャビティ壁面までの距離が遠い側の噴孔径を拡大するか、キャビティ壁面までの距離が遠い側の単位周長に対する噴孔数を多くする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、筒内直接噴射式内燃機関に関する。

火花点火燃焼に際し、燃料噴射弁から筒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。
従来の筒内直接噴射式内燃機関として、特許文献１に記載のようなものがある。特許文献１に記載の発明では、燃焼室上部の略中央部に燃焼噴射弁がピストン軸線とほぼ平行に設置され、燃焼室中央部に向かって点火プラグが設置されたセンターインジェクション型筒内直接噴射式内燃機関において、ピストン冠面に点火プラグ側にオフセットし、点火プラグ側の底面がその反対側の底面より深くなるように傾斜して形成された略円形の成層キャビティを有する。これにより点火プラグ近傍側に混合気が集まって着火がより確実となり、また、点火プラグ近傍側のキャビティで混合気を比較的長期に渡って保持することが可能となり、幅広い運転領域で成層燃焼可能なガソリン直噴エンジンを提供できるとしている。
特開２０００−３４９２５号公報

しかしながら、かかる構成においては、燃料噴射弁からの燃料噴霧中心軸に対し、点火プラグ側のキャビティ底面がその反対側の底面より深くなるように傾斜しており、点火プラグ側とその反対側のキャビティ底面への燃料噴霧の到達距離が異なることから、点火プラグ側とその反対側のキャビティ底面へ衝突する燃料噴霧の拡散度合や運動量の相違が生じる。この場合、燃料噴射弁から点火プラグ側のキャビティ底面までの距離が、その反対の底面までの距離よりも遠くなり、燃料が底面に到達した時の燃料噴霧の運動量は、点火プラグ側の方が弱くなる。

その結果、キャビティ上空に形成される混合気の濃度分布が異なる可能性があり、エミッションの悪化を招く恐れがある。例えばリッチ部の存在は、未燃ＨＣ、ＣＯの増加及び局所的な燃焼温度の上昇によるＮＯｘ生成の原因となり、リーン部は消炎に伴う未燃ＨＣの増加を招く。
また、燃料噴射弁とキャビティ底面との関係が前記構成とは逆に、燃料噴射弁が燃焼室上部の略中央部に傾斜して設置された場合において、平らなキャビティ底面に向けて燃料噴射を行った場合も同様に、燃料噴射弁からの燃料噴霧中心軸が指向する側とその反対側で、燃料噴霧のキャビティ底面への衝突時における、燃料噴霧の拡散度合や運動量に相違が生じ、キャビティ底面を介して生じる噴霧の循環流の大きさが異なり、キャビティ上空での均一な混合気の形成を妨げるという問題がある。

燃料噴射弁が燃焼室上部の略中央部に傾斜して設置された場合は、レイアウト上の制約から点火プラグは燃料噴射弁とは反対に傾斜され、燃料噴射弁と向き合って設置される。この場合に平らなキャビティ底面に向けて燃料噴射を行うと、点火プラグ側での燃料噴霧のキャビティ底面への衝突時の燃料噴霧の運動量が小さく、キャビティ底面を介して生じる噴霧の循環流による噴霧の巻き上げ力が小さく、点火プラグに安定して混合気が到達しなくなり、その結果、エンジンの運転性を損なうという問題が生じる可能性もある。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、燃料噴射弁の傾斜配置などにかかわらず、キャビティ上空に均質な混合気塊を形成可能とすることを目的とする。

このため、本発明では、燃料噴射弁からピストンキャビティ壁面までの距離が遠い側に噴射される燃料の運動量を、キャビティ壁面までの距離が近い側に対して、大きくする構成とする。

本発明によれば、燃料噴射弁からピストンキャビティ壁面までの距離が遠い側に噴射される燃料の運動量を、キャビティ壁面までの距離が近い側に対して、大きくすることによって、噴霧のキャビティ上空への巻き上げ力を均一化し、その結果キャビティ上空に均質な混合気塊を形成することが可能となる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は発明の一実施形態の構成を示している。
シリンダヘッド１と、シリンダブロック２と、ピストン３とによって燃焼室４が形成され、燃焼室４は吸気弁５を介して吸気ポート６と、排気弁７を介して排気ポート８とそれぞれ連通している。吸気弁５と排気弁６は、それぞれ吸気弁用カムと排気弁用カム（図示せず）によって開閉駆動される。

燃焼室４の上面（シリンダヘッド）の略中央付近に、燃料噴射弁９がレイアウト上の制約から傾斜して設けられ、点火プラグ１０はレイアウト上の制約から燃料噴射弁９とは反対側の燃焼室４上部に傾斜して設けられる。この図の場合は、排気側に点火プラグ１０が配置されることになり、スパークギャップが燃焼室４中央に向けて設置されている。燃料噴射弁９及び点火プラグ１０は、エンジンコントロールユニット（図示せず）からの信号に基づいて、燃料噴射及び点火を行う。

ピストン３の冠面には略中央付近に、燃料噴射弁９から噴射される燃料噴霧を受け入れるように、燃料噴射弁９から噴射される燃料噴霧の中心軸と略同一中心軸となるような略円筒形状のキャビティ１１が形成されている。キャビティ１１の底面はピストン軸線に直交する。燃料噴射弁６から噴射された燃料はキャビティ１１を経由してキャビティ上空へ向かい、成層混合気を形成する。この成層混合気に点火することで、成層燃焼を行う。

ここで、本発明の筒内直接噴射式内燃機関における成層混合気形成過程の概略を説明する。燃料噴射時期は、燃料噴霧がピストンキャビティ１１内に収まるように設定され、燃料噴霧はキャビティ１１内の底面に衝突する。その後噴霧は、噴霧の持つ運動量によってピストンキャビティ底面からキャビティ側面に沿って進行し、燃焼室上空へと向かう。その後、燃焼室上空をうずのように旋回しつつ、周囲の空気を巻き込みながら、点火プラグ１０近傍のキャビティ上空に成層混合気が生成される。

しかしながら、燃料噴射弁９からピストンキャビティ１１底面までの距離は、燃料噴射弁９の傾斜、ピストンキャビティ１１の位置により、燃料噴射弁９の周囲方向において、同一ではない。
そのため、本発明においては、燃料噴射弁９からピストンキャビティ１１壁面までの距離が遠い側に噴射される燃料の運動量を、キャビティ壁面までの距離が近い側に対して、大きくすることによって、ピストンキャビティ１１底面に噴霧が衝突する時の、噴霧の運動量を均一化し、その結果キャビティ上空への巻き上げ力を均一化する。

燃料噴射弁９は、圧縮行程後半における筒内圧力上昇時にも噴霧形状の変化が小さく、指向性の強いものが好ましく、多噴孔のマルチホールノズル噴射弁を用いることが望ましいため、本噴射弁を用いた時の実施例について説明する。
第１実施例の燃料噴射弁としては、図２ｂに示すものであり、通常の噴射弁（図２ａ）に比較して、ピストンキャビティ底面までの距離が遠い側、すなわち図１において排気側を指向する噴孔径を反対の吸気側を指向する噴孔径よりも大きくしたものを使用する。噴孔径の拡大により、そこから噴射される燃料の運動量が大きくなり、ピストンキャビティ底面までの距離が遠く、キャビティ底面到達時に運動量が減少しても十分に噴霧がキャビティ上空へ巻き上がる力を有することができる。

図示はしないが、噴孔径の拡大は、燃料噴射弁からピストンキャビティ底面までの距離に応じて、徐々に変化させても良い。
第２、第３実施例の燃料噴射弁としては、図２ｃ、２ｄに示すものであり、通常の噴射弁（図２ａ）に比較して、ピストンキャビティ底面までの距離が遠い側、すなわち図１において排気側を指向する側の単位周長に対する噴孔数を反対の吸気側を指向する噴孔数よりも多くしたもの、また噴孔数の増加と噴孔径の拡大とを同時に行ったものを使用することが挙げられる。

単位周長あたりの噴孔数の増大は、増大した側の燃料の運動量が大きくなり、ピストンキャビティ底面までの距離が遠く、キャビティ底面到達時に運動量が減少しても十分に噴霧がキャビティ上空へ巻き上がる力を有することができる。
またこれら第２、第３実施例についても、単位周長あたりの噴孔数を徐々に変化させても良い。

本実施形態によれば、燃焼室４上面の略中央部に配置された燃料噴射弁９と、該燃料噴射弁９から噴射される燃料噴霧の中心軸と略同一中心軸となるようなキャビティ形状を持つピストン３を持つ内燃機関において、燃料噴射弁９からピストンキャビティ１１壁面までの距離が遠い側に噴射される燃料の運動量を、キャビティ１１壁面まで距離が近い側に対して、大きくすることによって、燃料噴射弁９の傾斜配置などにかかわらず、噴霧のキャビティ上空への巻き上げ力を均一化し、その結果キャビティ上空に均質な混合気塊を形成することが可能となる。特に、燃料噴射弁９がピストン軸線に対し傾斜して配置され、キャビティ１１の底面がピストン軸線と直交するものに効果がある。

また、本実施形態によれば、燃焼室４上面の略中央部で、かつ燃料噴射弁９からピストンキャビティ１１壁面までの距離が遠い側、すなわち噴霧の運動量を増加させた側で、確実に噴霧のキャビティ上空への巻き上げが行われる場所に、点火プラグ１０を持つことで、点火を確実に行わせることができる。
また、本実施形態によれば、燃料噴射弁９としてマルチホールノズル噴射弁を用い、キャビティ壁面までの距離が遠い側の噴孔径を拡大することによって、本発明を簡単に実施することが可能となる。

また、本実施形態によれば、燃料噴射弁としてマルチホールノズル噴射弁を用い、キャビティ壁面までの距離が遠い側の単位周長に対する噴孔数を多くすることによって、本発明を簡単に実施することが可能となる。
図３には本発明の他の実施形態として、燃料噴射弁９と点火プラグ１０とを、それぞれエンジンのフロント側とリア側に配置した実施形態を示したが、このような配置の場合でも、燃料噴射弁９からピストンキャビティ１１壁面までの距離が遠い側に噴射される燃料の運動量を、キャビティ１１壁面までの距離が近い側に対して、大きくすることによって、ピストンキャビティ１１底面に噴霧が衝突する時の、噴霧の運動量を均一化し、その結果キャビティ上空への巻き上げ力を均一化することができる。

本発明の一実施形態の構成図 マルチホールノズル噴射弁を示す図 他の実施形態の構成図

符号の説明

１ シリンダヘッド
２ シリンダブロック
３ ピストン
４ 燃焼室
５ 吸気弁
６ 吸気ポート
７ 排気弁
８ 排気ポート
９ 燃料噴射弁
１０ 点火プラグ
１１ キャビティ

Claims (5)

1. 燃焼室上面の略中央部に配置され、直接燃料を燃焼室に噴射する燃料噴射弁と、
   該燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の中心軸と略同一中心軸となるようなキャビティ形状を持つピストンと、
   を有し、筒内に燃料を直接噴射し火花点火燃焼を行う内燃機関において、
   燃料噴射弁からピストンキャビティ壁面までの距離が遠い側に噴射される燃料の運動量を、キャビティ壁面までの距離が近い側に対して、大きくすることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
2. 燃料噴射弁は、ピストン軸線に対し傾斜して配置され、キャビティの底面はピストン軸線と直交することを特徴とする請求項１記載の筒内直接噴射式内燃機関。
3. 燃焼室上面の略中央部で、かつ燃料噴射弁からピストンキャビティ壁面までの距離が遠い側に、点火プラグを有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の筒内直接噴射式内燃機関。
4. 燃料噴射弁にマルチホールノズル噴射弁を用い、
   燃料噴射弁からピストンキャビティ壁面までの距離が遠い側に噴射される燃料の運動量を、キャビティ壁面までの距離が近い側に対して、大きくする手段として、キャビティ壁面までの距離が遠い側の噴孔径を拡大することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
5. 燃料噴射弁にマルチホールノズル噴射弁を用い、
   燃料噴射弁からピストンキャビティ壁面までの距離が遠い側に噴射される燃料の運動量を、キャビティ壁面までの距離が近い側に対して、大きくする手段として、キャビティ壁面までの距離が遠い側の単位周長に対する噴孔数を多くすることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。

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