JP2005201097A

JP2005201097A - 筒内噴射式内燃機関

Info

Publication number: JP2005201097A
Application number: JP2004006501A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nomura; 啓野村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-01-14
Filing date: 2004-01-14
Publication date: 2005-07-28
Also published as: CN100381682C; US7021280B2; DE102005001698A1; CN1641192A; US20050150478A1; DE102005001698B4

Abstract

【課題】簡易な構造で圧縮工程時と吸気工程時の夫々の燃焼に応じた噴霧を実現すること。
【解決手段】シリンダの周縁部からシリンダ中心線に向け且つ斜め下方に向けて燃料を燃焼室内に直接噴射する燃料噴射弁７と、そのシリンダの略中央に設けた点火プラグ６とを備え、その燃料噴射弁７の先端に、その噴射方向に直交する断面形状が燃焼室の中央側から側壁面側に向けた末広がり形状の噴霧（具体的には、燃焼室の中央側が狭く、側壁面側が広い「ハの字」形状の噴霧Ｊａ，Ｊｂ）を行う噴射口７２ａ，７２ｂを形成すること。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料を燃焼室内に直接噴射する燃料噴射弁が具備された筒内噴射式内燃機関に関する。

一般に、筒内噴射式内燃機関においては、圧縮工程時に燃料を燃焼室内に噴射し、点火プラグの近傍に燃料濃度の濃い混合気を偏在させて、燃焼室全体としては理論空燃比よりも希薄な混合気で燃焼させる所謂成層燃焼と、吸気工程時に燃料を燃焼室内に噴射することによって、燃焼室内の混合気を均質な状態にして燃焼させる所謂均質燃焼とを使い分けている。

例えば、その成層燃焼は燃費を向上させたいときに行われ、均質燃焼は高出力化を図りたいときに行われる。また、成層燃焼については、機関始動直後等の冷間時に行うことで排気ガスの温度を高温化させて触媒を早期に活性化温度まで上昇させるので、冷間時における排気ガスの浄化作用を高めることもできる。

従来、筒内噴射式内燃機関においては、その圧縮工程時と吸気工程時との二つの燃焼方式を使い分ける為に、例えば噴霧形状を夫々の燃焼方式に応じて変化させ得る燃料噴射弁が設けられている。

ここで、この種の燃料噴射弁は、下記の特許文献１に開示されている。この特許文献１に開示された燃料噴射弁は、ノズル先端部に複数の噴射口を備え、これら各噴射口に各々連通する複数の燃料流路及びこれら各燃料流路の切換手段を本体内に設けている。即ち、この燃料噴射弁は、運転状態に応じて制御手段が切換手段を制御することで燃料流路の切り替えを行い、燃料を噴霧させる噴射口を切り替えるものである。

具体的に、この燃料噴射弁が具備された筒内噴射式内燃機関においては、圧縮工程時に中央の噴射口から一本の広角の縦噴霧を行い、燃料濃度の濃い混合気をタンブル流に乗せることで点火プラグ近傍に偏在させて成層燃焼を行う。また、吸気工程時には、その中央の噴射口の両端に配置された噴射口（又は中央の噴射口及び隣設する噴射口）から二本の広角の縦噴霧を行い、その燃料を燃焼室内の全域に広げて均質燃焼を行う。

このように、この特許文献１の燃料噴射弁は、圧縮工程と吸気工程とで噴霧の形状を変えて、運転状態に応じた最適な燃焼を図っている。

特開２０００−２２０４６０号公報特許第２６５０２９８号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された燃料噴射弁は、複数の噴射口に各々連通する複数の燃料流路と各燃料流路を切り替える為の切換手段とを本体内に設けなければならず、更に切換手段を制御する制御手段も必要になるので、噴霧形状を変える為の機構が複雑になり好ましくない。また、その機構が複雑であるが為に、簡易構造の燃料噴射弁と比して故障等の不具合発生率が高くなり、更に燃料噴射弁自体の原価の高騰をも招来してしまう。これらの不都合の要因は、一本の燃料噴射弁で噴霧形状を変えて運転状態に応じた燃焼に対応させるからに他ならない。

そこで、本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、圧縮工程時と吸気工程時の夫々の燃焼に応じた好適な噴霧を簡易な構造によって実現し得る筒内噴射式内燃機関を提供することを、その目的とする。

上記目的を達成する為、請求項１記載の発明では、シリンダの周縁部からシリンダ中心線に向け且つ斜め下方に向けて燃料を燃焼室内に直接噴射する燃料噴射弁と、前記シリンダの略中央に設けた点火プラグとを備える。そして、燃料噴射弁の先端に、その噴射方向に直交する断面形状が前記燃焼室の中央側から側壁面側に向けた末広がり形状の噴霧を行う噴射口を形成している。

また、上記目的を達成する為、請求項２記載の発明では、上述した請求項１記載の筒内噴射式内燃機関において、前記末広がり形状を、燃焼室の中央側が狭く、側壁面側が広い「ハの字」形状にしている。

このように、燃料噴射弁は末広がり形状（「ハの字」形状）の噴霧を行うことができるので、ピストンが上死点近傍に位置しているときに噴霧することによって当該噴霧がピストン頂面に末広がり形状（「ハの字」形状）で衝突し、点火プラグ近傍に燃料濃度の高い混合気を導くことができる。これが為、かかる噴霧を圧縮工程時に行うことで良好な成層燃焼が可能になる。

また、ピストンが下死点近傍に位置しているときに噴霧することによって当該噴霧を燃焼室内に拡散させることができる。これが為、かかる噴霧を吸気工程時に行うことで良好な均質燃焼が可能になる。

本発明に係る筒内噴射式内燃機関によれば、上述したが如く、燃焼室の中央側が狭く、側壁面側が広い末広がり形状（「ハの字」形状）の噴霧を行う燃料噴射弁を具備するという簡易な構造で、圧縮工程時と吸気工程時の夫々の燃焼に応じた好適な噴霧を行うことができる。また、かかる噴霧は燃料噴射弁の噴射口の形状により対応し得るので、複雑な機構を要せず、燃料噴射弁、延いては筒内噴射式内燃機関の信頼性向上に繋がり、更には製品原価の高騰を抑えることも可能となる。

以下に、本発明に係る筒内噴射式内燃機関の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。尚、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

本発明に係る筒内噴射式内燃機関の実施例１を図１から図５に基づいて説明する。

図１は、本実施例１の筒内噴射式内燃機関の縦断面図であって、その燃焼室周辺の構成を示す図である。尚、ここでは一気筒のみを図示しているが、本発明は、直列やＶ型等の形式に拘らず多気筒の内燃機関に適用される。

上記燃焼室は、図２に示す如く、シリンダブロック１に形成されたシリンダボア１１の壁面と、シリンダヘッド２の下面に形成された凹部２１の壁面と、皿状で且つ略楕円形状の窪み（以下、「キャビティ」という。）３１が形成されたピストン３の頂面とにより囲まれた空間から構成される。

ここで、本実施例１のシリンダヘッド２には、燃焼室に開口する二つの吸気ポート（図１においては便宜上一つのみを図示している。）２２と少なくとも一つの排気ポート２３とが形成されている。そして、これら吸気ポート２２及び排気ポート２３には、夫々にその開口を開閉し得る吸気弁４及び排気弁５が設けられている。

また、このシリンダヘッド２には、その凹部２１の略中央に点火プラグ６が配置され、その凹部２１の周縁部分に先端をシリンダ中心線に向けて斜め下方に傾倒させた燃料噴射弁７が配置されている。

以下、本実施例１の燃料噴射弁７について詳述する。

この燃料噴射弁７は、図１に示す筒状の本体７１を有し、図３に示す如く、この本体７１内の先端側に、二つの燃料の噴射口７２ａ，７２ｂが形成された中空のノズル７２と、このノズル７２内を摺動し得るニードル弁７３と、このニードル弁７３をノズル７２の軸線方向に摺動させる図示しないニードル弁摺動手段とを備えている。

先ず、上記ノズル７２は、その内部空間が燃料の流路７２Ａを成し、この燃料流路７２Ａと連通する上記各噴射口７２ａ，７２ｂから燃料を噴霧するものであって、例えばかしめ等で本体７１の先端部分に固定される。ここで、本実施例１にあっては、先端が円錐形状に形成されているノズル７２を例示する。

次に、上記ニードル弁７３は、例えばスプリング等によってノズル７２の先端に向けて押圧されており、かかる状態において各噴射口７２ａ，７２ｂを閉じる又は燃料流路７２Ａを遮断する等して各噴射口７２ａ，７２ｂからの燃料の噴霧を停止させている。また、このニードル弁７３は、燃料の噴射時期になると、図示しない制御手段（電子制御ユニット：ＥＣＵ）から動作指示が与えられたニードル弁摺動手段によってノズル７２の先端から離間する方向に摺動させられる。これにより、各噴射口７２ａ，７２ｂと燃料流路７２Ａとが連通状態になって燃料の噴霧が可能になる。

ここで、本実施例１の夫々の噴射口７２ａ，７２ｂは、図２に示す如くノズル７２の先端にスリット状に形成されたものであって、図３に示す如くノズル７２の先端側がその中心軸と平行な平面（以下、「ノズル仮想平面」という。）Ｐ１から離間するよう（即ち末広がりに噴霧されるよう）に形成されている。尚、本実施例１のノズル仮想平面Ｐ１は、ノズル７２の中心軸を包含しているものとして例示する。

このように各噴射口７２ａ，７２ｂを上記の如きスリット状にすることで、これら各噴射口７２ａ，７２ｂからは、噴霧方向に向けて末広がりとなるよう夫々偏平扇型の噴霧Ｊａ，Ｊｂが為される。

また、これら各噴射口７２ａ，７２ｂは、図２に示す如く、ノズル７２を先端側から見た際に、上記ノズル仮想平面Ｐ１に対して略左右対称な「ハの字」形状になるよう配置されている。これが為、これら各噴射口７２ａ，７２ｂは、図４に示す如く、噴射方向に直交する断面形状が「ハの字」形状となる噴霧Ｊａ，Ｊｂを行う。

ここで、この燃料噴射弁７は、前述したが如く先端をシリンダ中心線に向け且つ斜め下方に向けてシリンダヘッド２の凹部２１の周縁部分に配置され、更に、図５に示す如く、ノズル仮想平面Ｐ１と、ピストン３の中心軸と平行な平面（以下、「ピストン仮想平面」という。）Ｐ２と、点火プラグ６の中心軸と平行な平面（以下、「点火プラグ仮想平面」という。）Ｐ３とが同一平面となるように固定される。より具体的には、ピストン３が上死点近傍に位置したときに、燃料噴射弁７からの噴霧Ｊａ，Ｊｂがピストン３のキャビティ３１に衝突するような位置関係に燃料噴射弁７を配置する。

更に、この燃料噴射弁７は、各噴射口７２ａ，７２ｂからなる「ハの字」形状の狭い部分（即ち、夫々の噴射口７２ａ，７２ｂが最も近づく部分）が燃焼室の上方側を向くよう配置する。

以上のことから、この燃料噴射弁７は、その噴射方向に直交する断面形状が燃焼室の上方側が狭くその下方側が広い（換言すれば、燃焼室の中央側が狭くその側壁面側が広い）図４に示す「ハの字」形状の噴霧Ｊａ，Ｊｂを行うこととなる。

次に、以上示した燃料噴射弁７を具備する筒内噴射式内燃機関の運転状態に応じた噴霧動作について説明する。

先ず、圧縮工程時における噴霧形状の説明を行う。例えば、機関始動直後等の冷間時においては、通常、暖機運転が行われる。その際、制御手段は、圧縮工程の後半（具体的には、圧縮工程にてピストン３が上死点近傍に到達した際）に燃料を噴霧するよう燃料噴射時期を制御している。

ここで、圧縮工程にてピストン３が上死点近傍に到達した際に、制御手段から動作指示が与えられたニードル弁摺動手段は、ニードル弁７３をノズル７２の先端から離間する方向に摺動させる。これにより、燃料噴射弁７は、上述した「ハの字」形状の噴霧Ｊａ，Ｊｂを行う。

その際、その噴霧Ｊａ，Ｊｂは、図５に示す如く、ピストン３の中央側が狭く、その周縁部側が広い「ハの字」形状でピストン３のキャビティ３１に衝突する。そして、このキャビティ３１によって形成された燃料濃度の高い混合気が点火プラグ６の近傍に導かれて成層燃焼が行われる。

特に、本実施例１にあっては「ハの字」形状の噴霧Ｊａ，Ｊｂが為され、その噴霧Ｊａ，Ｊｂにおける「ハの字」形状の狭い部分がピストン３の中央側（キャビティ３１における点火プラグ６の下方部分の周辺）に衝突するので、燃料濃度の高い混合気が点火プラグ６の近傍に集まり易くなる。

また、制御手段は、例えば機関の高出力化を図る際、吸気工程中に燃料を噴霧するよう燃料噴射時期を制御している。その際、ニードル弁７３がノズル７２の先端から離間する方向に摺動させられた燃料噴射弁７は、同様に「ハの字」形状の噴霧Ｊａ，Ｊｂを行う。

ここで、その噴霧Ｊａ，Ｊｂは、ピストン３が下死点側に位置しているときに噴霧されると、夫々がシリンダの下方で且つその壁面に向かって進むにつれて拡散し、燃焼室全体に行き渡る。これが為、この燃料噴射弁７は、吸気工程中に燃料を噴霧することで均質燃焼を行わせることができる。

以上示した如く、本実施例１の燃料噴射弁７によれば、上述したが如き形状の噴射口７２ａ，７２ｂを先端に設け、更に、燃焼室の中央側が狭く、その側壁面側が広い「ハの字」形状の噴霧Ｊａ，Ｊｂを行うようシリンダヘッド２に配置することで、圧縮工程噴射時には点火プラグ６の近傍に燃料濃度の濃い混合気を集めることができ、吸気工程噴射時には燃焼室全体に燃料を行き渡らせた混合気を形成することができる。

即ち、従来の如き噴霧形状を変える為の複雑な機構を別途設けずとも、「ハの字」形状に配置されたスリット状の噴射口７２ａ，７２ｂを燃料噴射弁７に設けるという簡易な構造によって、成層燃焼と均質燃焼との使い分けを行うことが可能になる。また、簡易構造であるが為に、故障等の不具合が発生する可能性も無くなり、更に燃料噴射弁自体の原価の高騰も抑制し得る。

尚、本実施例１にあってはノズル７２の中心軸を包含するノズル仮想平面Ｐ１に対して略左右対称な「ハの字」形状となるように各噴射口７２ａ，７２ｂを形成しているが、この各噴射口７２ａ，７２ｂは、その中心軸を包含しない当該中心軸と平行なノズル仮想平面Ｐ１に対して略左右対称な「ハの字」形状となるよう形成してもよい。但し、かかる場合には、少なくともそのノズル仮想平面Ｐ１と上記点火プラグ仮想平面Ｐ３とが略同一平面となるように、燃料噴射弁７や点火プラグ６を配置することが好ましい。

また、本実施例１にあっては先端が円錐形状のノズル７２に「ハの字」になるよう各噴射口７２ａ，７２ｂを形成しているが、例えば、この各噴射口７２ａ，７２ｂは、ノズルの中心軸と直交する平板状の先端に設けてもよい。

更に、本実施例１にあっては「ハの字」形状に配置された二つの噴射口７２ａ，７２ｂを例示しているが、その「ハの字」の狭い部分を繋げた所謂「逆Ｖの字」形状の一つの噴射口としてもよく、これによっても上記各噴射口７２ａ，７２ｂが形成された燃料噴射弁７と同様の効果を奏することができる。

このことから、ノズル７２の先端に形成される噴射口は、燃料噴射弁がシリンダヘッド２に固定された際に、燃焼室の上方側が狭く、その下方側が広い形状となるものであればよい。これが為、ノズル７２の先端には、燃焼室の上方側から下方側に向けて末広がり形状となるように少なくとも一つの噴射口が形成されていればよい。この末広がり形状の噴射口からは、その噴射方向に直交する断面形状が燃焼室の中央側から壁面側に向かって末広がりの形状となる噴霧が為される。

次に、本発明に係る筒内噴射式内燃機関の実施例２を図６及び図７に基づいて説明する。

本実施例２は、前述した実施例１と比して燃料噴射弁７の噴射口の形状を変えたものであり、他は実施例１と同じである。

本実施例２の燃料噴射弁７は、図６に示す如く、実施例１と同様の「ハの字」形状に配置された噴射口７２ａ，７２ｂに加えて、これら各噴射口７２ａ，７２ｂの間で且つ前述したノズル仮想平面Ｐ１とノズル７２の先端との交差部分にスリット状の噴射口７２ｃを形成したものである。

このような三つの噴射口７２ａ〜７２ｃを備えた燃料噴射弁７によれば、圧縮工程噴射時において、前述した実施例１よりも効率的に燃料濃度の濃い混合気を点火プラグ６の近傍に集めることができる。

即ち、圧縮工程時に噴射口７２ａ，７２ｂから噴射された「ハの字」形状の噴霧Ｊａ，Ｊｂは、実施例１と同等に燃料濃度の濃い混合気を点火プラグ６の近傍へと集めるが、本実施例２にあっては、三つ目の噴射口７２ｃによって図７に示すその噴霧Ｊｃからなる混合気を更に点火プラグ６に近い位置まで集めることができるので、燃料濃度の濃い混合気をより効率的に点火プラグ６の近傍まで導くことが可能になる。

また、吸気工程噴射時においては、シリンダの壁面に向けて拡散する「ハの字」形状の噴射口７２ａ，７２ｂからの噴霧Ｊａ，Ｊｂと共に、その間にも三つ目の噴射口７２ｃから燃料が噴霧されるので、より効率的に燃料を燃焼室全体に行き渡らせることができる。

このように、本実施例２の燃料噴射弁７にあっても、前述した実施例１と同様に簡易な構造によって成層燃焼と均質燃焼との使い分けを行うことができ、また、簡易構造であるが為に、故障等の不具合が発生する可能性も無くなり、更に燃料噴射弁自体の原価の高騰も抑制し得る。

尚、上記三つ目の噴射口７２ｃのスリットの長さは、図６のように両側の噴射口７２ａ，７２ｂと同等にしてもよいが、例えば、圧縮工程噴射時の上記効率化を主眼とするのであれば、各噴射口７２ａ，７２ｂからなる「ハの字」の狭い部分からノズル７２の略中央までの長さにしてもよい。

次に、本発明に係る筒内噴射式内燃機関の実施例３を図８及び図９に基づいて説明する。

本実施例３は、前述した実施例１と比して燃料噴射弁７の噴射口の形状を変えたものであり、他は実施例１と同じである。

本実施例３の燃料噴射弁７は、図８に示す如く、実施例１と同様の「ハの字」形状に配置された噴射口７２ａ，７２ｂに加えて、これら各噴射口７２ａ，７２ｂの間で且つ前述したノズル仮想平面Ｐ１とノズル７２の先端との交差部分に円形の噴射口７２ｄを形成したものである。

この本実施例３の三つ目の噴射口７２ｄは、上記各噴射口７２ａ，７２ｂからなる「ハの字」の狭い部分の近傍に形成される。ここで、図８においては円形の噴射口７２ｄを例示しているが、この噴射口７２ｄは、必ずしもかかる形状に限定するものではない。例えば、楕円、四角形や三角形等の何れの形状であってもよい。

このような三つの噴射口７２ａ，７２ｂ，７２ｄを備えた燃料噴射弁７によれば、圧縮工程噴射時においては、「ハの字」形状の噴射口７２ａ，７２ｂからの噴霧Ｊａ，Ｊｂだけでなく、三つ目の噴射口７２ｄから図９に示す局所的な噴霧Ｊｄが為されるので、これにより生成された混合気をより点火プラグ６に近い位置まで導くことができる。これが為、本実施例３にあっても前述した実施例２と同様の効果を奏することが可能となる。尚、その図９においては、便宜上、噴射口７２ａ，７２ｂからの噴霧Ｊａ，Ｊｂについての図示を省略する。

また、吸気工程噴射時においては、「ハの字」形状の噴射口７２ａ，７２ｂからの噴霧Ｊａ，Ｊｂにより前述した実施例１と同様の効果を奏することが可能となる。

このように、本実施例３の燃料噴射弁７にあっても、前述した実施例１，２と同様に簡易な構造によって成層燃焼と均質燃焼との使い分けを行うことができ、また、簡易構造であるが為に、故障等の不具合が発生する可能性も無くなり、更に燃料噴射弁自体の原価の高騰も抑制し得る。

以上のように、本発明に係る筒内噴射式内燃機関は、成層燃焼と均質燃焼を行う際に有用であり、特に、夫々の燃焼に応じた噴霧を簡易な構造で実現し、更に製品の信頼性の向上や低コスト化に適している。

本発明に係る筒内噴射式内燃機関の一例を示す縦断面図であって、その燃焼室を表した図である。本発明に係る筒内噴射式内燃機関が具備する燃料噴射弁の実施例１について説明する概略図であって、その噴射口を先端側から見た図である。図２に示すＹ−Ｙ線で切った実施例１における燃料噴射弁の先端の断面図である。図１に示すＸ−Ｘ線で切った実施例１における燃料噴射弁の噴霧形状を示す断面図である。実施例１の燃料噴射弁の噴霧形状をピストン頂面側から見た説明図である。本発明に係る筒内噴射式内燃機関が具備する燃料噴射弁の実施例２について説明する概略図であって、その噴射口を先端側から見た図である。実施例２の燃料噴射弁の噴霧形状をピストン頂面側から見た説明図である。本発明に係る筒内噴射式内燃機関が具備する燃料噴射弁の実施例３について説明する概略図であって、その噴射口を先端側から見た図である。実施例３の燃料噴射弁の噴霧形状を筒内噴射式内燃機関の側面から見た縦断面図である。

符号の説明

１シリンダブロック
２シリンダヘッド
３ピストン
６点火プラグ
７燃料噴射弁
３１キャビティ
７１本体
７２ノズル
７２ａ〜７２ｄ噴射口
Ｊａ〜Ｊｄ噴霧

Claims

シリンダの周縁部からシリンダ中心線に向け且つ斜め下方に向けて燃料を燃焼室内に直接噴射する燃料噴射弁と、前記シリンダの略中央に設けた点火プラグとを備える筒内噴射式内燃機関において、
前記燃料噴射弁の先端に、その噴射方向に直交する断面形状が前記燃焼室の中央側から側壁面側に向けた末広がり形状の噴霧を行う噴射口を形成したことを特徴とする筒内噴射式内燃機関。
前記末広がり形状は、前記燃焼室の中央側が狭く、側壁面側が広い「ハの字」形状であることを特徴とした請求項１記載の筒内噴射式内燃機関。