JP2007146680A - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】必要吸気量に係わらずに、点火時期において気筒内にタンブル流による乱れを存在させることができる筒内噴射式火花点火内燃機関を提供する。
【解決手段】気筒上部の排気弁側に配置された燃料噴射弁１を具備し、シリンダボアの排気弁側を下降してシリンダボアの吸気弁側を上昇するように気筒内を旋回するタンブル流Ｔを、燃料噴射弁により略気筒軸線方向に向けて噴射された燃料Ｆによって強める。
【選択図】図１

Description

本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。

気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を圧縮行程末期の点火時期において着火燃焼させる均質燃焼において、気筒内へ供給された吸気により気筒内にタンブル流を形成し、このタンブル流を圧縮行程末期の点火時期まで持続させることにより、点火時期において気筒内にタンブル流による乱れを存在させ、この乱れによって均質混合気の燃焼速度を高められれば良好な均質燃焼が実現される。

タンブル流を圧縮行程末期の点火時期まで持続させるために、吸気ポート内に吸気流制御弁を配置し、この吸気流制御弁によって吸気を吸気ポート上壁に沿わせて気筒内へ供給することにより、気筒内に強いタンブル流を形成する筒内噴射式火花点火内燃機関が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１８０２４７ 特開２００２−２２７６５１

前述の筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気流制御弁により吸気を吸気ポート上壁に沿わせて気筒内に供給する時には、吸気流制御弁により吸気ポートが絞られることになる。それにより、必要吸気量が比較的少ない時においては、特に問題なく強いタンブル流を気筒内に形成することができるが、必要吸気量が比較的多くなる時においては、吸気流制御弁により吸気ポートを絞ると吸気不足が発生することがあるために、吸気流制御弁によって強いタンブル流を気筒内に形成することはできない。

従って、本発明の目的は、必要吸気量に係わらずに、点火時期において気筒内にタンブル流による乱れを存在させることができる筒内噴射式火花点火内燃機関を提供することである。

本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、気筒上部の排気弁側に配置された燃料噴射弁を具備し、シリンダボアの排気弁側を下降してシリンダボアの吸気弁側を上昇するように気筒内を旋回するタンブル流を、前記燃料噴射弁により略気筒軸線方向に向けて噴射された燃料によって強めることを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、一つの前記燃料噴射弁が、気筒上部周囲において、二弁式排気弁の二つの排気弁の間に配置されていることを特徴とする。

本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、二つの前記燃料噴射弁が、気筒上部周囲において、一弁式排気弁の一つの排気弁の両側に配置されていることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、シリンダボアの排気弁側を下降してシリンダボアの吸気弁側を上昇するように気筒内を旋回するタンブル流を、気筒上部の排気弁側に配置された燃料噴射弁により略気筒軸線方向に向けて噴射された燃料によって強めるようになっている。それにより、必要吸気量に係わらずにタンブル流を確実に点火時期まで持続させて気筒内に乱れを存在させることができ、燃焼速度を速めることができる。

本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、一つの燃料噴射弁が、気筒上部周囲において、二弁式排気弁の二つの排気弁の間に配置されており、燃料噴射弁を気筒上部の排気弁側に無理なく配置することができる。

本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、二つの燃料噴射弁が、気筒上部周囲において、一弁式排気弁の一つの排気弁の両側に配置されており、二つの燃料噴射弁を気筒上部の排気弁側に無理なく配置することができ、二つの燃料噴射弁により噴射される燃料によりタンブル流をさらに強めることができる。

図１は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図である。図２は図１の筒内噴射式火花点火内燃機関のシリンダヘッドの底面図である。これらの図において、１は気筒上部の排気弁側に配置されて気筒内へ直接的に燃料を噴射するための燃料噴射弁であり、２は気筒上部略中心に配置された点火プラグである。３はピストンであり、４は二弁式吸気弁の二つの吸気弁であり、５は二弁式排気弁の二つの排気弁である。

燃料噴射弁１は、特に、気筒上部周囲における二つの排気弁４の間、すなわち、気筒上部の周縁と二つの排気弁４とにより囲まれたある程度の大きさを有する領域に配置されており、シリンダボア径を大きくしたりしなくても、燃料噴射弁１を気筒上部の排気弁側に無理なく配置することができる。

本筒内噴射式火花点火内燃機関は、気筒内に理論空燃比よりリーンな均質混合気を形成し、この混合気を点火プラグ２により着火燃焼させる均質燃焼を実施するものである。高出力が必要な高回転高負荷時等においては、理論空燃比又はリッチ空燃比での均質燃焼を実施するようにしても良い。特に、リーン空燃比での均質燃焼は、点火時期において気筒内に乱れを存在させて燃焼速度を速めないと、所望の機関出力が得られない。それにより、吸気行程において気筒内に供給される吸気によってシリンダボアの排気弁側を下降して吸気弁側を上昇するタンブル流Ｔを気筒内に形成し、このタンブル流Ｔを圧縮行程末期の点火時期まで持続させて点火時期において気筒内に乱れを存在させることが好ましい。

しかしながら、シリンダヘッドを厚くして吸気ポートの形状配置を工夫したり、吸気ポート内に吸気流制御弁を設ける等しない限り、一般的に気筒内に形成されるタンブル流は、それほど強いものではなく、本実施形態のように、ピストン３の頂面にタンブル流の減衰を抑制するための部分円弧断面のキャビティ３ａが形成されていても、それだけでは、タンブル流は圧縮行程中の減衰により点火時期までには容易に消滅し、点火時期においてタンブル流により気筒内に乱れを存在させることはできない。

それにより、本実施形態においては、吸気行程において気筒内に形成されたそれほど強くないタンブル流Ｔがシリンダボアの排気弁側に沿って下降する際に、吸気行程末期において燃料噴射弁１により略気筒軸線方向、すなわち、ほぼ真下に向けて噴射された燃料Ｆの貫徹力を効果的に利用して強めるようにしている。こうして強められたタンブル流は、圧縮行程末期の点火時期まで良好に持続して気筒内に乱れを存在させることができる。

燃料噴射弁１から噴射される燃料噴霧の形状は、任意に設定可能であり、例えば、中実又は中空円錐形状、又は、中実柱形状としても良い。また、円弧状スリット噴孔や複数の直線スリット噴孔の組み合わせにより、比較的厚さの薄い円弧状断面又は折れ線状断面の燃料噴霧としても良い。いずれにしても燃料噴霧が比較的大きな貫徹力を有して、気筒内のタンブル流を加速させるようになっていれば良い。また、先広がりの燃料噴霧の場合には、先広がりの方向をシリンダボア方向（シリンダボア半径方向）としない方が好ましい。それにより、エンジンオイルの希釈をもたらすシリンダボアへの燃料付着を抑制することができる。

これに対して、燃料噴射弁が気筒上部略中心に配置された筒内噴射式火花点火内燃機関では、燃料噴霧によりタンブル流を強めるためには、燃料をシリンダボアへ向けて（斜め下方向に）噴射しなければならず、シリンダボアへ燃料が付着し易くなってしまう。また、本実施形態は、気筒上部略中心に点火プラグ２だけしか配置していないために、吸気弁４及び排気弁５をそれぞれ比較的大きくすることができ、吸気効率及び排気効率を高めることができる。

本実施形態において、燃料噴射弁１は、スリット状の噴孔を有して比較的厚さの薄い略扇形状に燃料を噴射し、大きく広がらない燃料噴霧Ｆの厚さ方向をシリンダボアの半径方向とし、大きく広がる燃料噴霧Ｆの幅方向をシリンダボアの半径方向としないようにしている。それにより、噴射燃料Ｆはシリンダボアに付着し難くなっている。

点火プラグ２は、中心電極２ａと、Ｌ字形の板状電極２ｂとを有している。本実施形態においては、板状電極２ｂの幅方向がタンブル流と略平行となるように点火プラグ２が配置されている。それにより、板状電極２ｂの幅方向がタンブル流Ｔに対向する場合のように、タンブル流が板状電極２ｂに衝突して減衰することは抑制される。

本点火プラグ配置においては、板状電極２ｂの厚さ方向がタンブル流Ｔに対向することとなるが、板状電極２ｂの厚さは薄いためにタンブル流Ｔを殆ど減衰させることはない。もちろん、図１の点火プラグ配置だけでなく、１８０度回転させた点火プラグ配置としても同様な効果を得ることができる。また、点火プラグによっては、互いに対向する二つの板状電極を有する場合があるが、このような場合にも、二つの板状電極の厚さ方向をタンブル流Ｔに対向させ、幅方向をタンブル流と略平行にすることが好ましい。前述したような点火プラグ２の配置により、点火時期において二つの電極２ａ，２ｂの間に発生するアークは、タンブル流Ｔによってタンブル流の下流方向に容易に伸ばされ、気筒内の均質混合気を着火させ易くなる。

燃料噴射弁１は、所望空燃比の均質燃焼を実施するために、必要量の燃料を吸気行程末期（例えば、燃料噴射終了クランク角度を吸気下死点近傍とするように燃料噴射量に応じて燃料噴射開始クランク角度を設定するか、又は、燃料噴射量に関係なく吸気行程後半に燃料噴射開始クランク角度を設定する。）に噴射するようになっている。こうして、必要燃料量が多くなるほど、タンブル流Ｔがより強められることとなる。

もし必要ならば、必要燃料量が多い時には、一部の燃料を吸気行程中期又は初期に噴射して（複数回に分けて噴射しても良い）、吸気行程末期に噴射される燃料量を少なく調節し、タンブル流Ｔを強める程度を制御するようにしても良い。

本実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関は、気筒内へ直接的に噴射する燃料により均質燃焼を実施するものであるために、必要量の燃料を確実に気筒内へ供給することができ、吸気ポートへ燃料を噴射する場合のように吸気ポート壁面への燃料付着等を考慮して必要量以上の燃料を噴射しなくても良くなっている。また、本筒内噴射式火花点火内燃機関は、例えば、機関低負荷時等に圧縮行程後半に燃料を噴射して点火プラグ２近傍にだけ混合気を形成する成層燃焼を実施するようにしても良い。この場合には、ピストン３の頂面に形成したキャビティ３ａを排気弁４側へ偏在させて、このキャビティにより噴射燃料を点火プラグ２の近傍に集合させるようにすれば良い。

図３は、もう一つの実施形態を示す図２に相当するシリンダヘッドの底面図である。前述の実施形態との違いについてのみ説明する。本実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関は、排気一弁式であり、気筒上部周囲における一つの排気弁５’の両側のある程度の大きさを有する領域には、それぞれ燃料噴射弁１’が配置されている。それにより、シリンダボア径を大きくしたりしなくても、二つの燃料噴射弁１’を気筒上部の排気弁側に無理なく配置することができる。

本実施形態では、吸気行程において気筒内に形成されたそれほど強くないタンブル流がシリンダボアの排気弁側に沿って下降する際に、吸気行程末期において二つの燃料噴射弁１’のそれぞれにより、略気筒軸線方向、すなわち、ほぼ真下に向けて噴射された燃料の貫徹力を効果的に利用して強めるようにしている。こうして二つの燃料噴霧により、さらにタンブル流を強めることができ、タンブル流を圧縮行程末期の点火時期まで良好に持続させて気筒内に乱れを存在させることができる。

前述した二つの実施形態は、理論空燃比よりリーンな空燃比での均質燃焼を実施するものであるが、これは本発明を限定するものではなく、理論空燃比又はリッチ空燃比での均質燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関においても、タンブル流を強めて点火時期まで持続させることにより乱れを存在させ、燃焼速度を速めることは有効である。

本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図である。 図１のシリンダヘッドの底面図である。 もう一つの実施形態を示す図２に相当するシリンダヘッドの底面図である。

符号の説明

１、１’ 燃料噴射弁
２ 点火プラグ
３ ピストン
４ 吸気弁
５、５’ 排気弁
Ｔ タンブル流
Ｆ 噴射燃料

Claims (3)

1. 気筒上部の排気弁側に配置された燃料噴射弁を具備し、シリンダボアの排気弁側を下降してシリンダボアの吸気弁側を上昇するように気筒内を旋回するタンブル流を、前記燃料噴射弁により略気筒軸線方向に向けて噴射された燃料によって強めることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
2. 一つの前記燃料噴射弁が、気筒上部周囲において、二弁式排気弁の二つの排気弁の間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
3. 二つの前記燃料噴射弁が、気筒上部周囲において、一弁式排気弁の一つの排気弁の両側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。

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