JP2006052663A

JP2006052663A - 筒内噴射式内燃機関

Info

Publication number: JP2006052663A
Application number: JP2004233795A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Kushibe; 孝寛櫛部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-08-10
Filing date: 2004-08-10
Publication date: 2006-02-23

Abstract

【課題】筒内噴射式内燃機関において、インジェクタから噴射される燃料による点火プラグの燻りや、インジェクタから噴射された燃料の燃焼室内壁面への付着を抑制する。
【解決手段】筒内噴射式内燃機関１は、燃焼室２の内部に燃料を直接噴射するインジェクタ６、点火プラグ５、吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅを有し、燃焼室２内でピストン１０を往復移動させて動力を発生するものであり、ピストン１０の頂面には、インジェクタ６の燃料噴射方向に沿って複数のキャビティ１２，１３，１４，１５が形成されており、キャビティ１２〜１５の底面１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａと、ピストン１０の移動方向と直交する面Ｐ_０とのなす角度θａ_１２，θａ_１４，θａ_１４，θａ_１５は、燃料噴射方向の下流側に向かうにつれて大きくなっている。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃焼室の内部に燃料を直接噴射するインジェクタを備えた筒内噴射式内燃機関に関する。

インジェクタによって燃焼室の内部に直接燃料が噴射される筒内噴射式内燃機関では、点火プラグ周辺に所望の混合気の層を形成するために、ピストンの頂面にキャビティ（凹部）を形成するのが一般的である。そして、この種の筒内噴射式内燃機関として、ピストンの頂面に、主にインジェクタに対向する側からインジェクタに向けて進行して点火プラグ近傍を通過するスキッシュを発生させるスキッシュエリアが設けられているものも知られている（例えば、特許文献１参照。）。この筒内噴射式内燃機関では、更に、キャビティ内に複数の段部が形成されており、インジェクタから噴射される燃料は、ピストンの上昇に伴ってこれらの段部に順次衝突する。そして、燃料噴射量が少ない時に燃料が衝突する少なくとも二つの段部は、衝突した燃料を互いに略平行に点火プラグのスキッシュ上流側に偏向する。

特開２０００−２７６５２号公報

しかしながら、上述のように構成される従来の内燃機関において、特にピストンが吸気上死点付近にある際にインジェクタから噴射された燃料は、ピストンと衝突するまでの距離が短いことから、ピストンと衝突した後も充分に霧化されずに液滴のまま進行することがあり、このような燃料が点火プラグに達すると、点火プラグの燻りが生じて混合気の着火性（点火性）が損なわれてしまうおそれがある。また、ピストンが下降して吸気下死点付近に近づいた際には、インジェクタから噴射された燃料の一部がインジェクタから遠い側のキャビティ（段部）で跳ね返され、燃焼室の内壁面に付着してしまうおそれもある。

そこで、本発明は、インジェクタから噴射される燃料による点火プラグの燻りや、インジェクタから噴射された燃料の燃焼室内壁面への付着を抑制することができる筒内噴射式内燃機関の提供を目的とする。

本発明による内燃機関は、燃焼室の内部に燃料を直接噴射するインジェクタ、点火プラグ、吸気弁および排気弁を有し、燃焼室内でピストンを往復移動させて動力を発生する筒内噴射式内燃機関において、ピストンの頂面には、インジェクタの燃料噴射方向に沿って複数のキャビティが形成されており、キャビティの底面と、ピストンの移動方向と直交する面とのなす角度は、燃料噴射方向の下流側に向かうにつれて大きくなっていることを特徴とする。

この筒内噴射式内燃機関では、ピストンの頂面に形成された複数のキャビティの底面と、ピストンの移動方向と直交する面とのなす角度が、燃料噴射方向の下流側に向かうにつれて大きくなっている。従って、インジェクタから噴射され、インジェクタに近い側のキャビティの底面と衝突した燃料は、点火プラグに向けて進行しないように、キャビティの底面により比較的浅い（小さい）角度で跳ね返される。一方、インジェクタから噴射され、インジェクタから遠い側、すなわち、燃焼室の内壁面に近い側のキャビティの底面と衝突した燃料は、燃焼室の内壁面に向けて進行しないように、キャビティの底面により比較的大きな角度で跳ね返される。従って、この筒内噴射式内燃機関では、ピストンと衝突した後も霧化されずに液滴のまま進行する燃料が点火プラグに達することを抑制してインジェクタから噴射される燃料による点火プラグの燻りを良好に抑制すると共に、インジェクタから噴射された燃料の燃焼室内壁面への付着を良好に抑制することができる。

また、各キャビティは、底面の燃料噴射方向の下流側に、インジェクタから噴射された燃料の少なくとも一部を吸気弁に向けて跳ね返すことができる噴霧偏向面を有しているとよく、噴霧偏向面とピストンの移動方向と直交する面とがなす角度は、燃料噴射方向の下流側に向かうにつれて大きくなっていると好ましい。

この筒内噴射式内燃機関では、噴霧偏向面で吸気弁に向けて跳ね返された燃料が吸気弁の周辺から横方向(側方)に拡散していくことになるので、各キャビティを比較的浅くしても、燃焼室内に所望の混合気の層を良好に形成可能となる。そして、この筒内噴射式内燃機関では、噴霧偏向面とピストンの移動方向と直交する面とのなす角度が、燃料噴射方向の下流側に向かうにつれて大きくなっている。これにより、インジェクタに近い側では、ピストンと衝突した後も霧化されずに液滴のまま進行する燃料が点火プラグに達することを抑制してインジェクタから噴射される燃料による点火プラグの燻りを確実に抑制することができる。また、インジェクタから離れた側では、インジェクタから噴射された燃料の燃焼室内壁面への付着を抑制することができる。

更に、噴霧偏向面の幅は、燃料噴射方向の下流側に向かうにつれて大きくなっていると好ましい。

すなわち、インジェクタから噴射される燃料の噴霧幅は、一般に、インジェクタから離れるほど（燃料噴射方向の下流側に向かうほど）大きくなることから、このような構成を採用すれば、インジェクタから噴射された後、横方向（側方）に拡がった燃料を噴霧偏向面によって良好に受けることが可能となる。

また、噴霧偏向面の中央部は、燃料噴射方向に概ね直行する方向に延在し、噴霧偏向面の両端部は、燃料噴射方向の上流側に向けて湾曲させられていると好ましい。

このような構成のもとでは、噴霧偏向面の両端部を燃焼室内壁面からできるだけ遠ざけることが可能となり、インジェクタから噴射された燃料の燃焼室内壁面への付着を良好に抑制することができる。

本発明によれば、インジェクタから噴射される燃料による点火プラグの燻りや、インジェクタから噴射された燃料の燃焼室内壁面への付着を抑制することができる筒内噴射式内燃機関の実現が可能となる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明による筒内噴射式内燃機関を示す部分断面図である。同図に示される筒内噴射式内燃機関（以下、適宜「内燃機関」という）１は、燃焼室２の内部でガソリン等の燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室２内でピストン１０を往復移動させることにより動力を発生するものである。なお、図１には１気筒のみが示されるが、内燃機関１は多気筒エンジンとして構成されると好ましく、本実施形態の内燃機関１は、例えば４気筒エンジンとして構成される。

また、本実施形態の内燃機関１は、いわゆる４バルブエンジンとして構成されており、各燃焼室２には、吸気ポートおよび排気ポートがそれぞれ２つずつ設けられている。各燃焼室２の２つの吸気ポートは、それぞれ吸気通路（吸気マニホールド）３に接続され、各燃焼室２の２つの排気ポートは、それぞれ排気通路（排気マニホールド）４に接続されている。そして、内燃機関１のシリンダヘッドＣＨには、各吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが燃焼室２ごとに配設されている。２体の吸気弁Ｖｉおよび２体の各排気弁Ｖｅは、例えば、可変バルブタイミング機能を有する動弁機構（図示省略）によって開閉させられる。

更に、内燃機関１は、点火プラグ５と、例えばスリット状の燃料噴口を有するインジェクタ６とを気筒数に応じた数だけ有しており、点火プラグ５とインジェクタ６とは、燃焼室２ごとに少なくとも１体ずつ備えられている。図１に示されるように、点火プラグ５は、対応する燃焼室２の上部中央付近に臨むようにシリンダヘッドＣＨに装着されている。また、本実施形態の内燃機関１では、いわゆるサイドインジェクション方式が採用されており、インジェクタ６は、図１に示されるように、燃焼室２に連なる吸気通路３の下方に位置するようにシリンダヘッドＣＨに装着されている。そして、各インジェクタ６は、対応する燃焼室２に対して側方から燃料を直接噴射する。

一方、ピストン１０の頂面には、図２に示されるように、２体の吸気弁Ｖｉに対応するバルブリセス１１ｉと、２体の排気弁Ｖｅに対応するバルブリセス１１ｅとが形成されている。本実施形態において、各バルブリセス１１ｉおよび１１ｅは、吸気弁Ｖｉまたは排気弁Ｖｅの弁体の外形に応じた弧状の浅い凹部として形成されている。このように、ピストン１０の頂面にバルブリセス１１ｉおよび１１ｅを形成しておくことにより、各吸気弁Ｖｉと各排気弁Ｖｅとをオーバーラップさせても、ピストン１０と各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅとが干渉し合ってしまうことを防止することができる。

更に、各燃焼室２の内部にインジェクタ６から燃料が直接噴射される内燃機関１では、点火プラグ５の周辺に所望の混合気の層を形成すべく、ピストン１０の頂面に複数のキャビティ１２，１３，１４および１５がインジェクタ６の燃料噴射方向（吸気側から排気側に向かう燃料の流れ方向）に沿って並設（形成）されている。各キャビティ１２〜１５は、図２および図３に示されるように、概ね平坦な底面（燃料衝突面）１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａ、および底面１２ａ〜１５ａの燃料噴射方向下流側の端部から立ち上がる噴霧偏向面１２ｂ，１３ｂ，１４ｂ，１５ｂをそれぞれ含む。

図２に示されるように、キャビティ１２〜１５は、燃料噴射方向において順次連続するように形成されており、全体で上方から見て概ね扇状を呈する凹部を画成する。そして、各キャビティ１２〜１５、および各噴霧偏向面１２ｂ〜１５ｂの幅（燃料噴射方向と直交する方向における最大寸法）は、燃料噴射方向の下流側に向かうにつれて（インジェクタ６や吸気弁Ｖｉから離れるにつれて）大きくなっている。つまり、各噴霧偏向面１２ｂ〜１５ｂの幅をＬ_１２、Ｌ_１３，Ｌ_１４，Ｌ_１５とすると、Ｌ_１２＜Ｌ_１３＜Ｌ_１４＜Ｌ_１５という関係が満たされる。

また、最もインジェクタ６や吸気弁Ｖｉに近い噴霧偏向面１２ｂを除いた噴霧偏向面１３ｂ〜１５ｂは、図２に示されるように、それぞれの中央部が燃料噴射方向に概ね直行する方向に延在すると共に、それぞれの両端部が燃料噴射方向の上流側、すなわち、インジェクタ６や吸気弁Ｖｉに向けて湾曲するように形成されている。これにより、噴霧偏向面１３ｂ〜１５ｂの両端部を燃焼室２の内壁面からできるだけ遠ざけることが可能となり、インジェクタ６から噴射された燃料の燃焼室２の内壁面への付着を良好に抑制することができる。

図３に示されるように、キャビティ１２の底面１２ａは、ピストン１０の移動方向と直交する面Ｐ_０と概ね平行をなすように（後述の角度θａ_１２＝０となるように）形成されている。また、キャビティ１３〜１５の底面１３ａ〜１５ａは、基本的に、燃料噴射方向の下流側に向かうにつれて（インジェクタ６や吸気弁Ｖｉから離れるにつれて）面Ｐ_０から図中下向きに傾斜するように形成されている。更に、各噴霧偏向面１２ｂ〜１５ｂの傾斜角度は、インジェクタ６から噴射された燃料の少なくとも一部を吸気弁Ｖｉに向けて跳ね返すように設定されている。これにより、内燃機関１では、噴霧偏向面１２ｂ〜１５ｂによって吸気弁Ｖｉに向けて跳ね返された燃料が吸気弁Ｖｉの周辺から横方向(側方)に拡散していくことになるので、各キャビティ１２〜１５を比較的浅くしても燃焼室２内に所望の混合気の層を良好に形成可能となる。

ここで、ピストン１０の頂面に形成された複数のキャビティ１２〜１５の底面１２ａ〜１５ａと、ピストン１０の移動方向と直交する面Ｐ_０とのなす角度は、図３に示されるように、燃料噴射方向の下流側に向かうにつれて（インジェクタ６や吸気弁Ｖｉから離れるにつれて）大きくなっている。すなわち、本実施形態では、キャビティ１２の底面１２ａと面Ｐ_０とのなす角度をθａ_１２とし、キャビティ１３の底面１３ａと面Ｐ_０とのなす角度をθａ_１３とし、キャビティ１４の底面１４ａと面Ｐ_０とのなす角度をθａ_１４とし、キャビティ１５の底面１５ａと面Ｐ_０とのなす角度をθａ_１５とすると、
θａ_１２＜θａ_１３＜θａ_１４＜θａ_１５
という関係が満たされる。

なお、最もインジェクタ６に近いキャビティ１２の底面１２ａと面Ｐ_０とのなす角度θａ_１２と、最もインジェクタ６から離れたキャビティ１５の底面１５ａと面Ｐ_０とのなす角度θａ_１５との間において、θａ_１２＜θａ_１５という関係が満たされるのであれば、θａ_１３やθａ_１４は、互いに、あるいは、θａ_１２またはθａ_１５と等しくなっていてもよい。

また、各キャビティ１２〜１５は、それぞれ底面１２ａ〜１５ａの燃料噴射方向下流側に、噴霧偏向面１２ｂ〜１５ｂを有しているが、本実施形態において、噴霧偏向面１２ｂ〜１５ｂとピストン１０の移動方向と直交する面Ｐ_０とがなす角度は、燃料噴射方向の下流側に向かうにつれて（インジェクタ６や吸気弁Ｖｉから離れるにつれて）大きくなっている。すなわち、図３に示されるように、キャビティ１２の噴霧偏向面１２ｂと面Ｐ_０とのなす角度をθｂ_１２とし、キャビティ１３の噴霧偏向面１３ｂと面Ｐ_０とのなす角度をθｂ_１３とし、キャビティ１４の噴霧偏向面１４ｂと面Ｐ_０とのなす角度をθｂ_１４とし、キャビティ１５の噴霧偏向面１５ｂと面Ｐ_０とのなす角度をθｂ_１５とすると、
θｂ_１２＜θｂ_１３＜θｂ_１４＜θｂ_１５
という関係が満たされる。

なお、最もインジェクタ６に近いキャビティ１２の噴霧偏向面１２ｂと面Ｐ_０とのなす角度θｂ_１２と、最もインジェクタ６から離れたキャビティ１２の噴霧偏向面１５ｂと面Ｐ_０とのなす角度θｂ_１５との間において、θｂ_１２＜θｂ_１５という関係が満たされるのであれば、θｂ_１３やθｂ_１４は、互いに、あるいは、θｂ_１２またはθｂ_１５と等しくなっていてもよい。

さて、上述のように構成された内燃機関１において、例えばピストン１０が吸気上死点付近にある際にインジェクタ６から燃料が噴射されると、インジェクタ６とピストン１０との距離が短いことから、インジェクタ６からの燃料は充分に霧化されていない状態で主にインジェクタ６や吸気弁Ｖｉに近い側のキャビティ１２，１３等と衝突することがある。これに対して、内燃機関１では、ピストン１０に形成された複数のキャビティ１２〜１５の底面１２ａ〜１５ａとピストン１０の移動方向と直交する面Ｐ_０とのなす角度が、上述のように、燃料噴射方向の下流側に向かうにつれて大きくなっている。従って、例えばインジェクタ６や吸気弁Ｖｉに近い側のキャビティ１２，１３の底面１２ａ，１３ａと衝突した燃料は、底面１２ａ，１３ａによって比較的浅い（小さい）角度で跳ね返されるので、ピストン１０の真上に位置する点火プラグ５に向けて進行しないようになる。

この結果、内燃機関１では、ピストン１０と衝突した後も霧化されずに液滴のまま進行する燃料が点火プラグ５に達することを抑制してインジェクタ６から噴射される燃料による点火プラグ５の燻りを確実に抑制することが可能となる。また、例えばインジェクタ６や吸気弁Ｖｉに近い側のキャビティ１２，１３等と、燃焼室２の内壁面との間には、ある程度の距離が存在していることから、キャビティ１２，１３の底面１２ａ，１３等で跳ね返された直後に液滴のままである燃料が、そのまま微粒化されることなく燃焼室２の内壁面に達してしまうおそれは極めて少ない。

一方、例えばピストン１０が吸気下死点に向けて下降している際にインジェクタ６から燃料が噴射されると、インジェクタ６とピストン１０との距離が長くなることから、インジェクタ６からの燃料は、比較的良好に微粒化された後、主にインジェクタ６や吸気弁Ｖｉから遠い側、すなわち、燃焼室２の内壁面に近い側のキャビティ１４，１５等と衝突する。そして、例えばインジェクタ６や吸気弁Ｖｉから遠い側のキャビティ１４，１５の底面１４ａ，１５ａと衝突した燃料は、底面１４ａ，１５ａによって比較的大きな角度で跳ね返されるので、燃焼室２の内壁面に向けて進行しないようになる。これにより、内燃機関１では、インジェクタ６から噴射された燃料の燃焼室２の内壁面への付着を抑制することができる。

また、内燃機関１において、噴霧偏向面１２ｂ〜１５ｂとピストンの移動方向と直交する面Ｐ_０とがなす角度は、燃料噴射方向の下流側に向かうにつれて大きくなっている。従って、インジェクタ６や吸気弁Ｖｉに近い側の噴霧偏向面１２ｂ，１３ｂ等で跳ね返された燃料が真上の点火プラグ５へと進行してしまうことが抑制され、インジェクタ６や吸気弁Ｖｉから遠い側、すなわち、燃焼室２の内壁面に近い側の噴霧偏向面１４ｂ，１５ｂ等で跳ね返された燃料が燃焼室２の内壁面へと進行してしまうことが抑制される。この結果、内燃機関１では、インジェクタ６から噴射される燃料による点火プラグ５の燻りや、インジェクタ６から噴射された燃料の燃焼室２の内壁面への付着をより一層確実に抑制することが可能となる。

更に、内燃機関１では、キャビティ１２〜１５、および噴霧偏向面１２ｂ〜１５ｂの幅が燃料噴射方向の下流側に向かうにつれて大きくなっているので、インジェクタ６から噴射された後、横方向（側方）に拡がった燃料を、特に燃料噴射方向の下流側のキャビティ１４，１５等や噴霧偏向面１４ｂ，１５ｂ等によって良好に受けることが可能となる。かかる構成は、特に、燃料の噴霧幅が燃料噴口から離れるほど（燃料噴射方向の下流側に向かうほど）大きくなるスリット状の燃料噴口を有するインジェクタ６が採用されている内燃機関に適用されると有効である。

図４および図５は、本発明の内燃機関に適用可能なピストンの他の例を示す斜視図である。

図４および図５に示されるピストン１０Ａは、成層燃焼用の深皿キャビティ１６を有するものである。そして、ピストン１０Ａの頂面には、深皿キャビティ１６と排気弁Ｖｅ用のバルブリセス１１ｅとの間に（排気弁Ｖｅ側に）、キャビティ１７，１８が形成されている。キャビティ１７，１８は、それぞれ概ね平坦な底面１７ａ，１８ａと、底面１７ａ，１８ａの燃料噴射方向下流側の端部から立ち上がる噴霧偏向面１７ｂ，１８ｂとを含む。キャビティ１７，１８、および各噴霧偏向面１７ｂ，１８ｂの幅（燃料噴射方向と直交する方向における最大寸法）は、燃料噴射方向の下流側に向かうにつれて（インジェクタ６や吸気弁Ｖｉから離れるにつれて）大きくなっている。また、噴霧偏向面１７ｂ、１８ｂは、図４に示されるように、それぞれの中央部が燃料噴射方向に概ね直行する方向に延在すると共に、それぞれの両端部が燃料噴射方向の上流側、すなわち、インジェクタ６や吸気弁Ｖｉに向けて湾曲するように形成されている。

更に、キャビティ１７の底面１７ａとピストン１０Ａの移動方向と直交する面Ｐ_０とのなす角度をθａ_１７とし、キャビティ１８の底面１８ａと面Ｐ_０とのなす角度をθａ_１８とすると、θａ_１７＜θａ_１８という関係が満たされる。そして、キャビティ１７の噴霧偏向面１７ｂと面Ｐ_０とのなす角度をθｂ_１７とし、キャビティ１８の噴霧偏向面１８ｂと面Ｐ_０とのなす角度をθｂ_１８とすると、θｂ_１７＜θｂ_１８という関係が満たされる。上述の内燃機関１に対して、このようなピストン１０Ａを備えても、インジェクタ６から噴射される燃料による点火プラグ５の燻りや、インジェクタ６から噴射された燃料の燃焼室２の内壁面への付着を良好に抑制することができる

本発明による内燃機関を示す部分断面図である。図１の内燃機関のピストンを示す上面図である。図２のピストンを説明するための断面図である。図１の内燃機関に適用可能な他のピストンを示す上面図である。図４のピストンを説明するための断面図である。

符号の説明

１筒内噴射式内燃機関
２燃焼室
５点火プラグ
６インジェクタ
１０，１０Ａピストン
１２，１３，１４，１５，１７，１８キャビティ
１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａ，１７ａ，１８ａ底面
１２ｂ，１３ｂ，１４ｂ，１５ｂ，１７ｂ，１８ｂ噴霧偏向面
１６深皿キャビティ
Ｖｅ排気弁
Ｖｉ吸気弁

Claims

燃焼室の内部に燃料を直接噴射するインジェクタ、点火プラグ、吸気弁および排気弁を有し、前記燃焼室内でピストンを往復移動させて動力を発生する筒内噴射式内燃機関において、
前記ピストンの頂面には、前記インジェクタの燃料噴射方向に沿って複数のキャビティが形成されており、前記キャビティの底面と、前記ピストンの移動方向と直交する面とのなす角度は、前記燃料噴射方向の下流側に向かうにつれて大きくなっていることを特徴とする筒内噴射式内燃機関。
前記各キャビティは、前記底面の前記燃料噴射方向の下流側に、前記インジェクタから噴射された燃料の少なくとも一部を前記吸気弁に向けて跳ね返すことができる噴霧偏向面を有しており、前記噴霧偏向面と前記ピストンの移動方向と直交する面とがなす角度は、前記燃料噴射方向の下流側に向かうにつれて大きくなっていることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関。
前記噴霧偏向面の幅は、前記燃料噴射方向の下流側に向かうにつれて大きくなっていることを特徴とする請求項２に記載の筒内噴射式内燃機関。
前記噴霧偏向面の中央部は、前記燃料噴射方向に概ね直行する方向に延在し、前記噴霧偏向面の両端部は、前記燃料噴射方向の上流側に向けて湾曲させられていることを特徴とする請求項２または３に記載の筒内噴射式内燃機関。