JP2006177274A

JP2006177274A - 筒内噴射式火花点火機関

Info

Publication number: JP2006177274A
Application number: JP2004372485A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Kihara; 裕介木原; Yoshihiro Sukegawa; 義寛助川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2006-07-06

Abstract

【課題】
低負荷時における成層燃焼や、冷機始動時のファストアイドルにおける点火時期リタード条件で安定して燃焼させるためには点火プラグ周りに可燃濃度の混合気を確実に成層化させる必要がある。
【解決手段】
本発明は上記目的を達成するため上面形状が方形で、稜線を跨いで吸気弁側にオフセットしてキャビティが形成されており、プラグの先端放電部がピストンの上死点位置ではキャビティ内に没するように構成した。ピストンの吸気側にオフセットしてキャビティを設け、前記キャビティの幅をボア径の３０〜５０％の長さとし、キャビティの排気側の端部と点火プラグまでの距離を１０mm以下とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射式火花点火機関に関し、希薄燃焼時において混合気を成層化するに好適なピストンを備えた筒内噴射式火花点火機関に関する。

低負荷時におけるポンプ損失低減を目的に希薄燃焼する場合、ピストン冠面にキャビティを設け、圧縮行程後期に燃料を噴射してキャビティに混合気を閉じ込めて成層化させて燃焼するなどの技術がある。

特開平１０−３１７９７０号公報特開２００２−１２９９６２号公報

キャビティにより混合気を保持して燃焼させる方式の場合、例えばキャビティの幅が狭すぎると噴射された燃料がキャビティに収まらず、はみ出した燃料が極端に薄くなり着火時に火炎伝播できず未燃炭化水素として排出されるほか、キャビティと点火プラグの距離が離れすぎると混合気が点火プラグに届かず着火できないといった課題がある。また、冷機時のファストアイドル条件において排気低減のためには点火リタードによる後燃えが重要であるが、点火時期を遅らせると点火プラグ周りの混合気が分散するといった課題があり、キャビティの形状が非常に重要である。

そこで本発明は、希薄燃焼時と冷機始動時のファストアイドルにおいて混合気を確実に保持し、成層燃焼と点火時期リタードを可能とするピストンを備えた筒内噴射式火花点火機関を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するため上面形状が方形で、稜線を跨いで吸気弁側にオフセットしてキャビティが形成されており、プラグの先端放電部がピストンの上死点位置ではキャビティ内に没するように構成した。

別の発明では、ピストンの吸気側にオフセットしてキャビティを設け、前記キャビティの幅がボア径の３０〜５０％の長さであり、キャビティの排気側の端部と点火プラグまでの距離が１０mm以下としている。

本発明によればピストン冠面に形成されるキャビティの形状を工夫したので、燃焼状態の良い筒内噴射型の火花点火機関が得られる。

第１の実施例における筒内噴射エンジンの構成を図１に、ピストン冠面形状を図２，図３に示す。シリンダヘッドとシリンダブロック、そしてシリンダブロックに挿入されたピストン１により燃焼室が形成され、燃焼室の中心上部に点火プラグ２が設けられている。燃焼室に吸気管３と排気管４がそれぞれ開口しており、開口部を開閉する吸気弁５と排気弁６が設けられている。吸気管５の上流にはスロットル，ＥＧＲ配管，ＥＧＲ弁（これらは図示しない）が備えられ、運転状態によってスロットル開度を制御し、吸入空気量と
ＥＧＲ量を調節することができる。ピストン１にはキャビティ８が吸気側寄りに設けられている。キャビティ幅Ｌ１はシリンダボアＬ２に対し３０〜５０％の長さとなっており、キャビティ８の排気側端部から点火プラグ２までの距離Ｌ３は、１０mm以内の長さとなっている。キャビティの底部と側面は平面に、吸気側と排気側は曲面となっている。燃焼室の吸気側寄りでキャビティ８に向かって燃料が噴射できるように旋回式の燃料噴射弁７が設けられている。

次に第１の実施例における動作について説明する。運転条件はエンジン回転数２０００ｒ／min の低負荷である。本運転条件ではポンプ損失低減のためスロットルを開いており、筒内の平均空燃比は理論混合比より希薄となる条件に設定されている。また、混合気の成層化を図るため燃料噴射時期は圧縮工程後期の上死点前６０度に設定されている。

まず、吸気行程においてピストン１が下降を始め、燃焼室内に空気を吸入する。本実施例ではスロットルを開いているため噴射する燃料量に対して理論混合比より希薄となる空気量が吸入される。この場合、空気のほかにＥＧＲガスを吸入しても良い。圧縮行程に入り空気が圧縮され筒内の圧力が上昇する。上死点前６０度になると燃料が噴射され燃料噴霧がキャビティ内に収まり混合気が成層化する。ここでキャビティ幅Ｌ１をシリンダボアＬ２の３０〜５０％に設定しているため噴霧のキャビティからの溢れが殆ど無く濃度の最適な混合気をキャビティ内に成層化することが出来る。この混合気はキャビティ底面にそって点火プラグ２に向かって進むが、ここでキャビティ８の排気側の端部と点火プラグ２までの距離Ｌ３を１０mm以下としているためキャビティ８から壁面にそって上方に噴きあがった混合気が点火プラグに到達する。そして、点火時期である上死点前２０度前後には点火プラグ周りに着火可能な濃度の混合気が分布し安定して着火することが可能である。

次に、冷機始動時におけるファストアイドル条件の動作について説明する。冷機始動時では触媒の早期活性化、ＨＣ後燃えのために点火時期を上死点後の遅らせた運転をすることが望ましい。点火時期を遅らせる場合は燃料噴射から点火時期までの時間が長くなるため混合気が分散しやすく、安定に燃焼させるには点火プラグ周りに長時間の間、混合気を保持することが重要である。本条件では排気温度を高めるために燃料を増量した運転とし、空燃比が理論混合比である１４.７から１６の範囲となるように吸入空気量を決め、スロットルを制御する。燃料噴射時期は上死点前５０度に設定されている。

上死点前５０度で噴射された燃料は上述の２０００ｒ／min と同様にキャビティ８内で成層化し、点火プラグ２周りに可燃混合気を形成する。本実施例のキャビティ形状の場合、混合気の分散が抑えられ、また混合気が点火プラグ近傍に保持されるために点火時期が上死点後でも安定に着火することが出来る。

第２の実施例におけるピストン形状を図４，図５に示す。本実施例では実施例１においてキャビティ８の底部が曲面になったものである。その他構成と動作は実施例１と同じのため記述は省略する。

第３の実施例におけるピストン形状を図６，図７に示す。本実施例では実施例１においてキャビティ８がすべて平面で構成され、また側壁が垂直でなく１０〜２０度の傾斜となっている。その他構成と動作は実施例１と同じのため記述は省略する。

本実施例に拠れば、シリンダヘッドＳＨに設けた吸気弁５と排気弁６の間に点火プラグ放電部２２が設けられ、吸気弁５側からプラグ放電部２２の方向に燃料を噴射する燃料噴射弁７を備えており、ピストン１の冠面１ｔの吸気弁５側と排気弁６側との中間部位に盛り上がった稜線部１Ａを備え、且つ、当該稜線部１Ａより吸気弁５側にオフセットして設けられたキャビティ８を備えている。

燃料噴射弁７の中心軸線Ｌ１がキャビティ８の底面８ｂを志向しており、キャビティ８は、ピストン１の上面から見たときの面形状が方形をなし、稜線１Ａに沿った方向でピストン１の中央部に位置しており、ピストン１を縦断面した場合、その排気弁６側端部８ｅは稜線１Ａを超えて所定寸法Ｌ３だけ排気弁６側に延びており、稜線部分１Ａにおいてピストン１が上死点に位置するとき（図１の状態）点火プラグ２の先端の放電部２２の一部が稜線部分１Ａのキャビティ部分に没するように構成されており、点火プラグ２の放電部２２とキャビティ８の排気弁６側終端部８ｅの立ち上がり壁８Ｅとが特定の間隔Ｌ３を隔てて対面するよう構成されている。

キャビティ８の排気弁６側終端部の立ち上がり壁８Ｅの少なくとも一部はいずれの実施例においてもピストン１の往復動軸線Ｌ２に対して平行な部分を備えている。

図３，図４の実施例ではキャビティ８の排気弁６側終端部の立ち上がり壁８Ｅ２が湾曲面で構成されているが、当該立ち上がり壁８Ｅ２の上端部には実質的にピストン１の往復動軸線Ｌ２に対して平行な部分を形成している。

図１，図３，図６，図７の実施例ではキャビティ８の底面８ｂがピストン１の往復動軸線Ｌ２に対してほぼ直角な平面部分８ｂを備えている。

図４，図５の実施例ではキャビティ８が吸気弁５側端部から排気弁６側端部にかけて連続した湾曲面８ｃで構成されている。

図１乃至図７に示すようにキャビティの吸気弁側端部には下り勾配の傾斜面８ｄが形成されている。

キャビティ８の吸気弁５側から排気弁６側にかけての幅が吸気弁５側から排気弁６側に行くに従って徐々に広がるよう角度θをもって形成されている。

図７に示された実施例ではキャビティ８の排気弁６側終端部の立ち上がり壁８Ｅがピストン１の往復動軸線Ｌ２に対してθ２だけ傾斜している。

図１の実施例ではキャビティ８の稜線１Ａ部分の深さが一番深く形成されている。

以上のような具体的な構成の特徴を用いれば、噴射燃料を含む混合気をプラグの周りにより効率よく集めることができる。

また、本実施例によれば、吸気側にオフセットされたキャビティの幅をボアの３０〜
５０％、キャビティ８の排気側の端部と点火プラグ２までの距離を１０mm以下とすることにより、低負荷時における成層燃焼、また冷機始動時におけるファストアイドルで安定した燃焼が可能となる。

本発明は、筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射式火花点火機関で、特に希薄燃焼時において混合気を成層化する筒内噴射式火花点火機関に用いて好適である。

実施例１における構成を示す。実施例１におけるピストン形状を示す。実施例１におけるピストン形状を示す。実施例２におけるピストン形状を示す。実施例２におけるピストン形状を示す。実施例３におけるピストン形状を示す。実施例３におけるピストン形状を示す。

符号の説明

１…ピストン、２…点火プラグ、７…燃料噴射弁、８…キャビティ。

Claims

シリンダヘッドに設けた吸気弁と排気弁の間に点火プラグが設けられ、吸気弁側からプラグ方向に燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた筒内噴射式火花点火機関であって、
ピストンの冠面に吸気弁側と排気弁側との中間部位に盛り上がった稜線部を備え、
且つ、当該稜線部より吸気弁側にオフセットして設けられたキャビティを備えたものにおいて、
前記燃料噴射弁の中心軸線が前記キャビティを指向しており、
前記キャビティは、
前記ピストンの上面から見たときの面形状が方形をなし、前記稜線に沿った方向で前記ピストンの中央部に位置しており、
ピストンを縦断面した場合、その排気弁側端部は前記稜線を超えて所定寸法だけ排気弁側に延びており、
前記ピストンが上死点に位置するとき前記プラグの先端の一部が当該稜線部分のキャビティ部分に没するように構成されており、
前記プラグの放電部と前記キャビティの排気弁側終端部の立ち上がり壁とが特定の間隔を隔てて対面するよう構成されていることを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。
請求項１に記載したものにおいて、前記キャビティの排気弁側終端部の立ち上がり壁が前記ピストンの往復動軸線に対して平行であることを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。
請求項１に記載したものにおいて、前記キャビティの排気弁側終端部の立ち上がり壁が湾曲面で構成されていることを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。
請求項１乃至３のいずれかに記載したものにおいて、前記キャビティの底面が前記ピストンの往復動軸線に対してほぼ直角な平面部分を備えていることを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。
請求項１に記載したものにおいて、前記キャビティが吸気弁側端部から排気弁側端部にかけて連続した湾曲面で構成されていることを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。
請求項１乃至５に記載したものにおいて、前記キャビティの吸気弁側端部に下り勾配の傾斜面が形成されていることを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。
請求項１乃至６に記載したものにおいて前記キャビティの吸気弁側から排気弁側にかけての幅が吸気弁側から排気弁側に行くに従って徐々に広がるよう形成されていることを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。
請求項１に記載したものにおいて、前記キャビティの排気弁側終端部の立ち上がり壁が前記ピストンの往復動軸線に対して傾斜していることを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。
請求項１に記載したものにおいて、前記キャビティの前記稜線部分の深さが一番深く形成されていることを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。
筒内に直接燃料を噴射する筒内噴射式火花点火機関において、
ピストンの吸気側にオフセットしてキャビティを設け、前記キャビティの幅がボア径の３０〜５０％の長さであり、キャビティの排気側の端部と点火プラグまでの距離が１０mm以下であることを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。