JP2005195001A - 直接噴射式エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】タンブル流動を強化して燃焼安定性を図り、燃焼時に火炎伝播を容易にすることにより、燃費改善、エンジン出力の向上、カーボン堆積の少い、排気ガスの発生を低減させた直接噴射式エンジンを提供する。
【解決手段】ピストンヘッドにあるペントルーフ形状の突出部は、シリンダーの中心軸から排気側に偏心して形成され、突出部には、クランクシャフトの軸線方向と直交する方向に凹んだボウルが形成され、ボウルは、排気側が開放されているとともに、排気側の幅が吸気側の幅より広く、両側面が外側に凹んだ球面状で、底面が排気側から吸気側へ次第に深くなる傾斜面となり、吸気ポートは、吸気がボウルの排気側部分に向かって流入するように形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は直接噴射式エンジンに関し、より詳しくは、燃焼室に流入される吸気のタンブル流動を強化して、燃費改善はもちろん、出力を向上させ、冷始動時の排出ガスを低減させることができる直接噴射式エンジンに関する。

直接噴射式エンジンはガソリン燃料を燃焼室内に直接噴射して燃焼させるエンジンであり、一般的なガソリンエンジンとディーゼルエンジンの長所を合わせ持って、深刻化する地球環境問題に対して有害な排出ガスを少なくし、かつ燃費を良くするという社会の要求に応えるエンジンとして注目されている。

ガソリン噴射式エンジンの改善に関して、これまで、高圧補助燃料ポンプを必要としないで燃料を微小な液滴サイズで自動車エンジンのシリンダに送る燃料供給システム〔特許文献１参照〕、加圧雰囲気（絶対圧：０．５ＭＰａ）における噴霧の先端上端角を−１０°〜１０°の範囲に制御して空気流動の弱い条件においても燃料噴霧をプラグまで到達させることが出来、燃料を安定に燃焼させ、燃料効率の向上、燃費向上を図る燃料噴射装置の制御〔特許文献２参照〕、エンジンの回転数に応じて噴射方向を変更する噴射方向変更手段を備えて、エンジンの回転数に拘わらず、常に最適点火時期に点火を行うことができるようにした燃料噴射弁〔特許文献３参照〕、吸気バルブ及び排気バルブを駆動する動弁装置にバルブの開閉時期を可変制御する可変動弁機構、機関の負荷を検出する機関負荷検出手段、バルブ開閉時期制御手段によって行うバルブタイミング制御〔特許文献４参照〕など燃料噴射の面からの提案がある。

また、シリンダヘッドの下面に突条を設け、スワールに対して乱れを与えることにより良好な燃焼を行う直接噴射式エンジンの燃焼室〔特許文献５参照〕、燃焼室の開口部を絞るリップ部を設けて燃焼ガスの流れに乱れを与え、拡散を促進し、空気利用率を高め、高負荷スモークを低減できるようにした燃焼室〔特許文献６参照〕、ピストン頂面上に凹溝を形成し、凹溝底部から点火栓に向って伸びる燃料案内溝により良好な着火と燃焼を行う燃焼室〔特許文献７参照〕など燃焼室側からの提案もある。

本発明の出願人は、先に燃焼室に流入される吸気のタンブル流動を強化し、燃費改善、出力向上、冷始動時の排出ガス低減ができるガソリン直接噴射式エンジンを提案した〔特許文献８参照〕。この発明のガソリン直接噴射式エンジンは、図８〜１０に示したように、シリンダーヘッド２の下面とシリンダー内のピストン８の上面とによって形成される燃焼室２６と；燃焼室２６のシリンダーヘッド２の両側に形成される吸気ポート１０、排気ポート１２に各々配置される吸気バルブ１４、排気バルブ１６と；燃焼室２６のシリンダーヘッド２下面の中央部分に配置される点火プラグ４６と；燃焼室２６内に直接燃料を噴射する燃料噴射手段である燃料インジェクター３６と；から構成されている。

ここで燃焼室２６は、吸気バルブ側傾斜面２８と排気バルブ側傾斜面３０とによってペントルーフ形状に形成されるシリンダーヘッドの底面と、上記の吸気バルブ側傾斜面２８及び排気バルブ側傾斜面３０に各々対応する吸気バルブ側傾斜上面３２と排気バルブ側傾斜上面３４とによってペントルーフ形状に形成されたピストンの上側面との間に形成されている。そして、吸気バルブ側傾斜上面３２と排気バルブ側傾斜上面３４とによって形成されるペントルーフ形状の突出部分３８に、中央部分から排気側に少し傾斜した状態で、吸気側へ次第に深くなる曲率を有する底面４２からなるボウル４０が形成される。

吸気ポート１０は、下流端部分が上下に分離されて二つの流路を有するようにスプリットウォール１８が配置され、上側流路２０はタンブル流動になるようにし、下側流路２２の入口部にはバルブ２４が配置されて、エンジン制御ユニットによって選択的に制御される。

ボウル４０は、平面から見ると排気側が広く吸気側が狭くなった台形で、底面４２は排気側から吸気側は深くなだらかな下向に凹んだ曲面からなっている。吸気側ランプ部分４４は垂直な状態に形成され、点火プラグ４６は吸気ポート側からボウル４０の上側に燃料を噴射することができるように配置されている。

これにより、ピストン８が下降したとき、吸気が吸気ポート１０の上側流路２０からある程度強いタンブル流動を保有して燃焼室２６に導入される。タンブル流動は、燃焼室２６内で強く回転して、ピストン８が上昇したとき圧縮されて、ボウル４０に沿ってさらに強く回転することになる。そして、排気側のボウル４０の広い部分から吸気側の深くて狭い部分へ誘導されて、狭い部分で集中されると同時に、垂直に形成されたランプ部分４４と衝突して急上昇し、点火プラグ４６側に向って大きな流動を生成する。

このような強いタンブル流動が生成される圧縮過程において、吸気側に噴射された燃料は、強いタンブル流動と互いに作用してピストン８のボウル４０の底面４２と衝突せずに強い吸入流動内で短時間内に気化された後、点火プラグ４６の周囲に層状の混合気を形成して、点火プラグ４６で点火された点火エネルギーによって燃焼が行われるようになるのである。

しかし、前記の構造においては、ボウル４０の空気流入部に曲面突出部５０が形成されているので、タンブル流動の一部が吸気側方向へ誘導されずにその反対側に離脱する剥離現象が発生して、燃焼安定性に不利であり、噴射された燃料が曲面突出部５０を越えてオイルと接触してカーボン堆積層を形成するという問題点がある（図１０参照）。さらにボウル４０は、側面部が上側に拡開され、平面で見ると台形で、ピストンヘッドの突出部分３８の頂上の一部が平坦部分５２に形成されていることから、タンブル流動の一部がボウル４０の側面に沿って吸気側に誘導されずに側面を越えて離脱して吸気側に誘導されるタンブル流動の強度を低下させ、スカッシュ（Ｓｑｕｉｓｈ）流動を弱めて不完全燃焼の一つの原因になるという問題点がある（図１０参照）。
また、両吸気バルブポケットの間が段差部分５４によって区画されているので、カーボンが堆積され、火炎伝播時に妨害物として作用して、ノッキング発生の原因になるという問題点がある（図９参照）。

特開２００３−２０６８３０号公報 特開２００４−０３６５５４号公報 特開平１０−３３９２４４号公報 特開２０００−０７３８０３号公報 特開平１１−０８２０２６号公報 特開平１１−０３６８６９号公報 特開平４−１６６６１２号公報 特開２００３−１２０３００号公報

上記の問題点に鑑み、本発明の主な目的は、タンブル流動をさらに強化して燃焼安定性を図り、燃焼時に火炎伝播を容易にすることにより、燃費改善はもちろんエンジン出力を向上させることができる直接噴射式エンジンを提供することにある。さらに、燃料の壁流を少くしてカーボンの堆積を少くし、炭化水素物の排出を抑制して排気ガスの発生を低減させることができる直接噴射式エンジンを提供することにある。

上記目的を達すべく本発明の直接噴射式エンジンは、ペントルーフ形状に形成されたシリンダーヘッドの底面と、シリンダーヘッドの底面の形状に対応するペントルーフ形状の突出部を有するピストンヘッドの上面との間に形成される燃焼室と；シリンダーヘッドに形成された吸気ポート及び排気ポートのそれぞれに配置された吸気バルブ及び排気バルブと；シリンダーヘッドに配置された点火プラグと；燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料インジェクターと；を含んでなる直接噴射式エンジンにおいて、ピストンヘッドの突出部は、シリンダーの中心軸から排気側に偏心して形成され、突出部には、クランクシャフトの軸線方向と直交する方向に凹んだボウルが形成され、ボウルは、排気側が開放されているとともに、排気側の幅が吸気側の幅より広く、両側面が外側に凹んだ球面状で、底面が排気側から吸気側へ次第に深くなる傾斜面となり、吸気ポートは、吸気がボウルの排気側部分に向かって流入するように形成されている。

ボウルは、ピストンヘッドの突出部内に形成され、ボウルの両側面は、上側部分が拡開された形状に形成され、ボウルの両側面は、全体的に曲線からなり、ボウルの底面の排気側部分は、突出部の排気バルブ側傾斜上面の開始部から傾斜面側に離れた部分でピストンヘッド面とスムースな曲面で連ながり、ボウルの吸気側ランプ部分は、上側が拡開される形状に形成されることが好ましい。

ピストンヘッドの突出部の頂上部分は、曲面でなり、ピストンヘッドの突出部の吸気バルブ側傾斜上面には、吸気バルブポケットが凹んだ形状で形成されることが好ましく、吸気バルブポケットは、全ての吸気バルブを収容することができるように単一溝から形成されることが好ましい。

吸気ポートは、スプリットウォールが配置され、スプリットウォールの上側流路はタンブル流路になるようにし、スプリットウォールの下側流路の入口部には下側流路を選択的に開閉するバルブが配置されることが好ましい。

本発明によれば、ボウルの排気側の底面がピストンヘッドの上面とスムーズな曲面で連ながることにより、タンブル流動が乱れず、ボウル側に自然に誘導されて強いタンブル流動を助長し、噴射された燃料が強いタンブル流動によってボウル側に誘導されて吸気と混合されて排気側で燃料がオイルと接触してカーボン堆積層を生成するのを防止することができる。

そして、ボウルの排気側が吸入側より広く形成されて側面部が曲面からなることで、タンブル流動がボウルの吸気側に誘導される時に乱れず大部分がランプ部分に集中することによって、強いタンブル流動が出来、燃料の燃焼効率を上げることができる。
また、吸気バルブポケットを一つの凹んだ形状にすることにより、カーボン堆積の原因が解消して、点火時の火炎伝播の妨害物が除去され、燃焼効率を上げることができる。
このような作用で燃料インジェクターから噴射された燃料がピストンのボウル面に衝突せずに圧縮空気上で急速に完全に気化されることによって、カーボンの生成、炭化水素物の排出を低減させることができる。

以下、添付した図面を参照しつつ本発明を詳細に説明する。尚、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例であって、本発明を制限するものではない。
図１は、本発明の実施例によるエンジンの内部を示した縦断面図である。エンジン本体は、シリンダーヘッド１０２とシリンダーブロック１０４から構成され、シリンダーブロック１０４にはシリンダー１０６が形成され、ピストン１０８が上下にスライド可能に配置される。
シリンダーヘッド１０２には、吸気ポート１１０、排気ポート１１２が形成される。吸気ポート１１０と排気ポート１１２の個数は、適用される吸気バルブ１１４及び排気バルブ１１６の個数によって異なる。

吸気ポート１１０には長さ方向の中間部にスプリットウォール１１８が配置されて、上側流路１２０及び下側流路１２２に分離されている。下側流路１２２の入口部には下側流路１２２を開閉することができるバルブ１２４が配置されている。バルブ１２４は、好ましくはエンジン制御ユニット（図示してない）によって制御される駆動モータ（図示してない）によって作動される。これにより、バルブ１２４は、エンジンの運転条件によるエンジン制御ユニットの制御によって開閉が行われ、稀薄燃焼運転である場合にはバルブ１２４が閉鎖され、吸気は上側流路１２０を通じてのみタンブル流動状態で燃焼室１２６に導入される。

燃焼室１２６は、シリンダーヘッド１０２の底面とピストン１０８ヘッドの上面との間に形成される空間である。具体的には、シリンダーヘッド１０２の底面は、シリンダー１０６の中心軸線（ＣＢ）及びクランクシャフト（図示せず）の軸線を含む仮想平面（ＣＫ）において、排気側に一定の距離（λ）だけ偏心された位置を中心に、一側に吸気バルブ側傾斜面１２８が形成され、他側に排気バルブ側傾斜面１３０が形成される。これにより、燃焼室１２６は全体的にペントルーフ形状（家の屋根の形）になる。

ピストン１０８ヘッドの上面は、吸気バルブ側傾斜面１２８及び排気バルブ側傾斜面１３０それぞれに対応して吸気バルブ側傾斜上面１３２及び排気バルブ側傾斜上面１３４が形成され、これも全体的にペントルーフ形状となる。従って吸気バルブ側傾斜上面１３２と排気バルブ側傾斜上面１３４、及びシリンダーヘッド１０２の吸気バルブ側傾斜面１２８と排気バルブ側傾斜面１３０との間に燃焼室１２６が形成されることになる。

シリンダーヘッド１０２の吸気ポート１１０が形成される側には、燃料を燃焼室１２６に供給するための燃料インジェクター１３６が配置され、これはエンジン制御ユニットによって制御されて所定の噴射時点で燃焼室１２６の内部に燃料を直接噴射できるようになっている。

図２にはピストン１０８の斜視図、図３には要部断面図、図４には平面図を示した。
吸気バルブ側傾斜上面１３２と排気バルブ側傾斜上面１３４からなるペントルーフ形状の突出部１３８の頂上部分は、一定の曲率の曲面となり、中央部分にはクランクシャフトの軸線方向と直交する方向に凹んだ形状で形成されるボウル１４０が形成されている。ボウル１４０は、図４に示されているように上から見るとほぼ楕円形または両辺が直線でない所定の曲率を有する曲線形状台形からなり、長軸方向がクランクシャフトの軸線方向と直交する方向に位置している。ボウル１４０は、排気側端部が開放されて、かつ全体的に排気側が吸気側より幅が広く吸気バルブ側に徐々に狭くなる形状で、これにより吸気が円滑にボウル１４０内に流入されるようになる。

ボウル１４０の底面１４２は、排気側から吸気側に一定の角度（約１２゜程度）で下向きに傾く傾斜面となり、傾斜面の排気側部分は、突出部の排気バルブ側傾斜上面１３４の開始部１４４から傾斜面側に多少進入した部分でピストン１０８ヘッド面１４６とスムーズな曲面で連ながっている。これにより、タンブル流動が乱れずに自然にボウル１４０側に誘導されると共に、噴射された燃料が排気側のシリンダー壁側に流れてオイルと接触してカーボン堆積層を生成するのを防止ことができる。

ボウル１４０の両側面は、上側に拡開される形状（つまり、ボウルの幅が上方向へ次第に大きくなる形状）であり、ボウル１４０から突出部１３８に凹んだ一定の曲率を有する曲面部からなって、ボウル１４０に誘導されるタンブル流動がその側面部に沿って流れ、外側へ離脱するのを少くすることができる。

ボウル１４０の吸気側端を形成するランプ部分１４８は、上側が吸気側に多少拡開されるように約５゜程度傾斜させた垂直に近い壁である。そして、ランプ部分１４８は、吸気バルブ側傾斜上面１３２の開始部から少し排気側に寄った位置に形成され、吸気バルブ側傾斜上面１３２の上側部には吸気バルブポケット１５０が凹んだ形状で形成される。

吸気バルブポケット１５０は、オーバーラップ区間等で吸気バルブ１１４とピストン１０８とが互いに衝突するのを未然に防止するためにある。本発明では、全ての吸気バルブ１１４が収容されることができるように単一溝から形成されることにより、従来のようにポケットとポケットとの間の段差がなくなり、カーボン堆積を未然に防止することができる。

次に、燃焼室内における吸気と燃料の流れについて説明する。図５は、本発明の実施の形態におけるエンジンでの圧縮行程における吸気の流動状態を示す図面であり、図６はエンジンでの燃料噴射過程、そして図７はエンジンの燃焼室内での混合気の流動状態を示す図面である。

ピストン１０８が下降したとき、吸気が吸気ポート１１０の上側流路１２０を通過してある程度強いタンブル流動を保有したまま燃焼室１２６に導入される。この時、タンブル流動は、燃焼室１２６内で強く回転して、圧縮過程で上昇するピストン１０８によって圧縮され、図５のようにボウル１４０に沿ってさらに強く回転するようになる。つまり、ボウル１４０排気側の広い部分から吸気側の深くて狭い部分へ誘導されて集中すると同時に、垂直ないし略垂直に形成されたランプ部分１４８にぶつかり急上昇し、点火プラグ１５２の近くでさらに大きな流動を作り出す。

このような強いタンブル流動が作り出される圧縮過程において、燃料インジェクター１３６が、ボウル１４０の吸気バルブ側上側部分に燃料を噴射することができれば、噴射された燃料は、図６のように強いタンブル流動と互いに作用してボウル１４０の底面１４２に衝突せずに短時間内に気化して、図７のように点火プラグ１５２周囲に層状の混合気となって移動する。点火プラグ１５２側に移動した混合気は、点化プラグ１５２で点火された点火エネルギーによって燃焼が行われるようになるのである。

本発明の実施例によるエンジンの内部を示した縦断面図である。 本発明の実施例によるエンジンのピストンの斜視図である。 図２のピストンの要部断面図である。 図２のピストンの平面図である。 本発明の実施例によるエンジンでの圧縮行程の状態を示す図面である。 本発明の実施例によるエンジンでの燃料噴射過程を示す図面である。 本発明の実施例によるエンジンの燃焼室内での混合気の流動状態を示す図面である。 従来の直接噴射式エンジンの内部を模式的に示す図面である。 図８のエンジンのピストンの斜視図である。。 図９のピストンの要部断面図である。

符号の説明

２； シリンダーヘッド
８； ピストン
１０； 吸気ポート
１２； 排気ポート
１４； 吸気バルブ
１６； 排気バルブ
１８； スプリットウォール
２０； 上側流路
２２； 下側流路
２４； バルブ
２６； 燃焼室
２８； 吸気バルブ側傾斜面
３０； 排気バルブ側傾斜面
３２； 吸気バルブ側傾斜上面
３４； 排気バルブ側傾斜上面
３６； 燃料インジェクター
３８； 突出部分
４０； ボウル
４２； 底面
４４； 吸気側ランプ部分
４６； 点火プラグ
５０； 曲面突出部
５２； 平坦部分
５４； 段差部分
１０２； シリンダーヘッド
１０４； シリンダーブロック
１０６； シリンダー
１０８； ピストン
１１０； 吸気ポート
１１２； 排気ポート
１１４； 吸気バルブ
１１６； 排気バルブ
１１８； スプリットウォール
１２０； 上側流路
１２２； 下側流路
１２４； バルブ
１２６； 燃焼室
１２８； 吸気バルブ側傾斜面
１３０； 排気バルブ側傾斜面
１３２； 吸気バルブ側傾斜上面
１３４； 排気バルブ側傾斜上面
１３６； 燃料インジェクター
１３８； ペントルーフ形状の突出部
１４０； ボウル
１４２； 底面
１４４； （ピストンヘッド面上排気バルブ側傾斜面の）開始部
１４６； ピストンヘッド面
１４８； 吸気側端を形成するランプ部分
１５０； 吸気バルブポケット

Claims (10)

1. ペントルーフ形状に形成されたシリンダーヘッドの底面と、前記シリンダーヘッドの底面の形状に対応するペントルーフ形状の突出部を有するピストンヘッドの上面との間に形成される燃焼室と；前記シリンダーヘッドに形成された吸気ポート及び排気ポートのそれぞれに配置された吸気バルブ及び排気バルブと；前記シリンダーヘッドに配置された点火プラグと；前記燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料インジェクターと；を含んでなる直接噴射式エンジンにおいて、
   前記ピストンヘッドの突出部は、シリンダーの中心軸から排気側に偏心して形成され、前記突出部には、クランクシャフトの軸線方向と直交する方向に凹んだボウルが形成され、前記ボウルは、排気側が開放されているとともに、排気側の幅が吸気側の幅より広く、両側面が外側に凹んだ球面状で、底面が排気側から吸気側へ次第に深くなる傾斜面となり、前記吸気ポートは、吸気が前記ボウルの排気側部分に向かって流入するように形成されることを特徴とする直接噴射式エンジン。
2. 前記ボウルは、ピストンヘッドの突出部内に形成されることを特徴とする請求項１に記載の直接噴射式エンジン。
3. 前記ボウルの両側面は、上側部分が拡開された形状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の直接噴射式エンジン。
4. 前記ボウルの両側面は、全体的に曲線からなることを特徴とする請求項１に記載の直接噴射式エンジン。
5. 前記ボウルの底面の排気側部分は、前記突出部の排気バルブ側傾斜上面の開始部から傾斜面側に離れた部分でピストンヘッド面とスムースな曲面で連ながっていることを特徴とする請求項１に記載の直接噴射式エンジン。
6. 前記ボウルの吸気側ランプ部分は、上側が拡開される形状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の直接噴射式エンジン。
7. 前記ピストンヘッドの突出部の頂上部分は、曲面でなることを特徴とする請求項１に記載の直接噴射式エンジン。
8. 前記ピストンヘッドの突出部の吸気バルブ側傾斜上面には、吸気バルブポケットが凹んだ形状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の直接噴射式エンジン。
9. 前記吸気バルブポケットは、全ての吸気バルブを収容することができるように単一溝から形成されることを特徴とする請求項８に記載の直接噴射式エンジン。
10. 前記吸気ポートは、スプリットウォールが配置され、前記スプリットウォールの上側流路はタンブル流路になるようにし、前記スプリットウォールの下側流路の入口部には前記下側流路を選択的に開閉するバルブが配置されることを特徴とする請求項１に記載の直接噴射式エンジン。

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