JP2007309256A - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴射弁の噴孔近傍を燃焼火炎に晒され難くしてデポジットの堆積を十分に抑制す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】気筒上部略中心に形成された凹部１と、凹部の上壁に配置された燃料噴射弁２とを具備し、燃料噴射弁は気筒内の排気弁側へ向けて燃料Ｆを噴射し、凹部の吸気弁側の側壁１ａは、気筒軸線に略平行な平面とされるか、又は、気筒軸線に対して排気弁側に傾斜する平面とされる。
【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。

筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射弁の噴孔近傍が燃焼火炎に晒されて高温となると、噴孔近傍にデポジットが堆積することがある。噴孔近傍に堆積するデポジットは、燃料噴射弁の燃料噴射量制御を困難とする。

気筒上部に凹部を形成し、この凹部上壁に燃料噴射弁を配置することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような構成によって、燃料噴射弁の噴孔近傍は、凹部が設けられていない場合に比較して燃焼火炎に晒され難くなり、デポジットの堆積を抑制することができる。

特開２００４−２３９１７６

しかしながら、前述の凹部は、燃料噴射弁から噴射される円錐形状の燃料噴霧が衝突しないように、切頭円錐形状とされており、気筒内への開口面積が比較的大きくなるために、凹部内へ燃焼火炎が侵入することがあり、噴孔近傍へのデポジットの堆積を十分に抑制することはできない。

従って、本発明の目的は、燃料噴射弁の噴孔近傍を燃焼火炎に晒され難くしてデポジットの堆積を十分に抑制す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、気筒上部略中心に形成された凹部と、前記凹部の上壁に配置された燃料噴射弁とを具備し、前記燃料噴射弁は気筒内の排気弁側へ向けて燃料を噴射し、前記凹部の吸気弁側の側壁は、気筒軸線に略平行な平面とされるか、又は、気筒軸線に対して排気弁側に傾斜する平面とされ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、前記燃料噴射弁は、前記凹部の吸気弁側の前記側壁側だけに開口する断面形状の燃料を噴射し、点火プラグは、前記燃料噴射弁から噴射される燃料が直接的に衝突しないようにして前記凹部の排気弁側の側壁近傍に配置され、前記燃料噴射弁により圧縮行程において噴射される燃料により成層燃焼を実施す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、気筒上部略中心に形成された凹部と、凹部の上壁に配置された燃料噴射弁とを具備し、燃料噴射弁は気筒内の排気弁側へ向けて燃料を噴射し、燃料噴射方向とは反対側の凹部の吸気弁側の側壁は、気筒軸線に略平行な平面とされるか、又は、気筒軸線に対して排気弁側に傾斜する平面とされるために、燃料噴射弁から噴射される燃料が凹部の側壁に衝突することなく凹部の気筒内への開口面積を小さくすることができる。それにより、凹部内へ燃焼火炎が侵入し難くなって、噴孔近傍が高温とはなり難くなるために、噴孔近傍へのデポジットの堆積を十分に抑制することができる。

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、燃料噴射弁は、凹部の吸気弁側の側壁側だけに開口する断面形状の燃料を噴射し、点火プラグは、燃料噴射弁から噴射される燃料が直接的に衝突しないようにして凹部の排気弁側の側壁近傍に配置されているために、点火プラグの点火ギャップが噴射燃料により濡らされてアークの発生が阻害されることはない。また、燃料噴射弁により圧縮行程において噴射される燃料は、吸気を取り込みながら進行し、特に、噴射燃料と凹部の吸気弁側の側壁とにより囲まれた小さな空間内の圧力を低下させるために、圧縮行程時の噴射燃料の外側の高圧によって、凹部から流出する前に、噴射燃料は、凹部の吸気弁側の側壁へ潰され、その反動によって凹部の排気弁側の側壁方向へ微粒化して跳ね上げられる。それにより、点火プラグ近傍には可燃混合気が形成され、成層燃焼を実施することができる。

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１は吸気行程末期の均質燃焼の燃料噴射時期を示している。本内燃機関の気筒上部略中心には、凹部１が形成され、この凹部１の上壁に燃料噴射弁２が配置されている。図示されていないが、図１において、気筒上部の右側には一対の吸気弁が配置されており、左側には一対の排気弁が配置されている。３はピストンである。

本実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関は、燃料噴射弁２により吸気行程末期に気筒内へ直接的に燃料を噴射することにより、圧縮行程末期の点火時期には気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を火花点火させて均質燃焼を実施する。火花点火のための点火プラグ４は、凹部１の外側において、凹部１の排気弁側の側壁近傍に配置されている。

燃料噴射弁２は、気筒内の排気弁側へ向けて斜め下方向に燃料を噴射するものであり、例えば、吸気行程末期においてはシリンダボアの排気弁側又はピストン頂面の排気弁側へ向けて燃料が噴射される。本実施形態では、均質燃焼時において、燃料噴射弁２は、吸気行程末期に燃料噴射を実施する（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。）。

ところで、吸気行程において気筒内には、一点鎖線で示すように、シリンダボアの排気弁側に沿って下降してシリンダボアの吸気弁側に沿って上昇するタンブル流Ｔが形成される。燃料噴射弁２から噴射される燃料Ｆの貫徹力は、燃料噴射開始から１ｍｓ後の燃料先端が６０ｍｍ以上に達するようにされ、このように強い貫徹力の燃料Ｆが気筒上部略中心から気筒内の排気弁側へ向けて斜め下方向に噴射されると、気筒内に形成されたタンブル流Ｔを燃料の貫徹力により強めることができる。こうして強められたタンブル流Ｔは圧縮行程後半まで確実に持続し、その後は、ピストン３とシリンダヘッドの間で押し潰されて点火時期において気筒内に乱れを存在させる。それにより、燃焼速度の速い良好な均質燃焼を実現することができる。

本実施形態において、均質燃焼の空燃比は理論空燃比よりリーンとされて（好ましくは、ＮＯ_Xの生成量が抑制されるリーン空燃比とされる）、燃料消費を抑制するようにしているために、燃焼が緩慢となり易く、前述のようにして燃焼速度を速めることは特に有効である。しかしながら、高い機関出力が必要な機関高負荷時には、均質燃焼の空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比としても良く、この場合においても燃焼速度を速めることは有効である。

また、特に低負荷時のように高い機関出力が必要でない時には、均質燃焼ではなく、点火プラグ４近傍だけに可燃混合気を形成して、これを着火燃焼させる成層燃焼を実施した方が燃料消費を低減することができる。本実施形態において、特に、点火プラグ４は、燃料噴射弁２から噴射される燃料の一部が点火ギャップを通過するように、凹部１の排気弁側の側壁近傍に配置されている。それにより、圧縮行程後半に燃料噴射弁２により燃料を噴射すれば、噴射燃料は圧縮行程後半の高圧の吸気との摩擦により容易に気化して可燃混合気となり、この可燃混合気内に点火プラグ４の点火ギャップを位置させることができる。こうして、圧縮行程末期の点火時期において、点火プラグ４により可燃混合気を着火させることにより良好な成層燃焼を実現することができる。

本実施形態において、燃料噴射弁２は、前述したように凹部１の上壁に配置されているために、燃料噴射弁２から気筒内の排気弁側へ向けて噴射される燃料内に点火ギャップを位置させるのに点火プラグ４を気筒内へ大きく突出させる必要がない。それにより、点火プラグ４によるプレイグニッションの発生を抑制することができる。

燃料噴射弁２から噴射される噴射燃料の形状は、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、スリット状噴孔から噴射される比較的厚さの薄い略扇形状燃料噴霧としても良い。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前述したような強い貫徹力を有して、気筒内のタンブル流を加速させるようにすることが好ましい。

ところで、凹部１の上壁に配置された燃料噴射弁２は、気筒内の排気弁側へ向けて燃料を噴射するために、燃料噴射方向とは反対側の凹部の吸気弁側の側壁１ａは、気筒軸線に略平行な平面とされ、燃料噴射弁２から噴射される燃料が凹部１の側壁に衝突することなく凹部１の気筒内への開口面積Ａを小さくすることができる。

例えば、燃料噴射弁２が、気筒軸線と平行に円錐形状の燃料を噴射する場合には、凹部１の吸気弁側の側壁１ａは、一点鎖線で示すように、気筒軸線に対して吸気弁側に傾斜するようにしないと、噴射燃料が凹部１の吸気弁側の側壁１ａに衝突してしまう。この場合には、凹部の気筒内への開口面積は大きくなり、凹部内へ燃焼火炎が侵入し易く、燃料噴射弁２の噴孔近傍が高温となって噴孔近傍へデポジットが堆積することがあり、燃料噴射量の制御を困難とさせる。

これに対して、本実施形態では、前述したように、凹部１の気筒内への開口面積Ａは小さくされるために、均質燃焼及び成層燃焼に係わらずに、凹部１内へ燃焼火炎が侵入し難くなって、燃料噴射弁２の噴孔近傍が高温とはなり難く、噴孔近傍へのデポジットの堆積を抑制することができる。本実施形態では、凹部１の吸気弁側の側壁１ａは、気筒軸線に略平行な平面としたが、気筒軸線に対して排気弁側に傾斜する平面としても良い。

図２は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関のもう一つの実施形態を示す概略縦断面図である。図２は圧縮行程後半の成層燃焼の燃料噴射時期を示している。図１の実施形態との違いについてのみ以下に説明する。本実施形態において、凹部１’の吸気弁側の側壁１ａ’は、気筒軸線に対して排気弁側に傾斜する平面とされている。また、燃料噴射弁２’は略半円弧状のスリット噴孔又は略半円弧形状に整列された複数の丸噴孔を有し、燃料噴射弁２’から噴射される燃料Ｆ’は、図２のＢ−Ｂ拡大断面図である図３に示すように、略半円弧の断面形状を有するようにされる。

燃料噴射弁２’の燃料噴射方向は、気筒内の排気弁側であるが、図１の実施形態と比較すれば、気筒軸線との間の角度は小さくされ、それにより、噴射燃料Ｆ’は、点火プラグ４’に直接的に衝突しないようになっている。図１の実施形態では、均質燃焼及び成層燃焼において、噴射燃料の一部が点火プラグ１の点火ギャップを通過するようになっているのに対して、本実施形態では、吸気行程末期の燃料噴射による均質燃焼時において、点火プラグ４’の点火ギャップが噴射燃料により濡らされることはないために、図１の実施形態に比較して、アークを良好に発生させることができる。

また、略半円弧のように、凹部１’の吸気弁側の側壁１ａ’側だけに開口する断面形状の噴射燃料Ｆ’が、噴射燃料近傍の吸気を取り込みながら凹部１’内を進行すると、噴射燃料Ｆ’の外側の大きな空間では殆ど圧力低下は起きないが、噴射燃料と凹部１’の吸気弁側の側壁１ａ’とにより囲まれた小さな空間Ｓではある程度の圧力低下が起こる。

吸気行程のように気筒内の圧力が低い時には、噴射燃料Ｆ’の内側と外側との圧力差は小さく、特に何も起こらないが、成層燃焼時の燃料噴射時期である圧縮行程後半のように気筒内の圧力が高い時には、噴射燃料Ｆ’の内側と外側との圧力差は大きくなり、噴射燃料Ｆ’は、凹部１’から流出する前に、圧力差によって凹部１’の吸気弁側の側壁１ａ’へ潰され、その反動によって凹部１’の排気弁側の側壁方向へ微粒化して跳ね上げられる。それにより、図２に示すように、点火プラグ４’近傍には可燃混合気が形成され、良好な成層燃焼を実現することができる。

本実施形態において、凹部１’の吸気弁側の側壁を排気弁側に傾斜する平面としたが、図１の実施形態のように気筒軸線と平行な平面としても良い。この場合においても、燃料噴射弁２’から噴射された吸気弁側の側壁１ａ’側だけに開口する断面形状の噴射燃料Ｆ’は、先広がりとなるために、ほぼ吸気弁側の側壁１ａ’に沿って進行し、噴射燃料Ｆ’と吸気弁側の側壁１ａ’との間には、小さな空間Ｓが形成されるために、前述同様に、圧縮行程後半に噴射された燃料によって点火プラグ４’近傍には可燃混合気が形成され、良好な成層燃焼を実現することができる。

また、燃料噴射弁２’から噴射される燃料の断面形状は、半円弧形状に限定されることなく、例えば、凹部１’の吸気弁側の側壁１ａ’側だけに開口する形状として、コの字形等としても良い。いずれにしても、図１の実施形態において説明したような強い貫徹力を有して、均質燃焼時には、吸気行程末期の燃料噴射によりタンブル流を強めるようにすることが好ましい。

凹部は、図１の実施形態において、例えば、切頭円錐形状の一部を垂直な平面（吸気弁側の側壁）により除去したような形状であり、図２の実施形態において、例えば、切頭円錐形状の一部を内側に傾斜する平面（吸気弁側の側壁）により除去したような形状である。しかしながら、凹部の形状は、これらに限定されることなく、例えば、切頭四角錐形状の一つの側面を排気弁側の側壁とし、この側面に対向する側面を含む切頭四角錐形状の一部を垂直又は内側に傾斜する平面により除去したような形状としても良い。また、これら二つの側面以外の二つの側面を傾斜面ではなく垂直面とした形状であっても良い。

また、凹部は、排気弁側の側壁のために傾斜させた円柱形状の一部を垂直又は内側に傾斜する平面により除去したような形状としても良い。また、凹部の排気弁側の側壁は、気筒軸線に対して排気弁側に傾斜してなくても良く、気筒軸線と平行であっても良い。

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吸気行程末期の概略縦断面図である。 本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関のもう一つの実施形態を示す圧縮行程後半の概略縦断面図である。 図２のＢ−Ｂ拡大断面図である。

符号の説明

１，１’ 凹部
２，２’ 燃料噴射弁
３ ピストン
４，４’ 点火プラグ
Ｔ タンブル流
Ｆ，Ｆ’ 噴射燃料

Claims (2)

1. 気筒上部略中心に形成された凹部と、前記凹部の上壁に配置された燃料噴射弁とを具備し、前記燃料噴射弁は気筒内の排気弁側へ向けて燃料を噴射し、前記凹部の吸気弁側の側壁は、気筒軸線に略平行な平面とされるか、又は、気筒軸線に対して排気弁側に傾斜する平面とされることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
2. 前記燃料噴射弁は、前記凹部の吸気弁側の前記側壁側だけに開口する断面形状の燃料を噴射し、点火プラグは、前記燃料噴射弁から噴射される燃料が直接的に衝突しないようにして前記凹部の排気弁側の側壁近傍に配置され、前記燃料噴射弁により圧縮行程において噴射される燃料により成層燃焼を実施す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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