JP2008019840A

JP2008019840A - 筒内噴射式火花点火内燃機関

Info

Publication number: JP2008019840A
Application number: JP2006194739A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ashizawa; 剛芦澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-07-14
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2008-01-31

Abstract

【課題】吸気制御弁を必要とせずに、タンブル流を確実に強めて良好な均質燃焼を実現可能な筒内噴射式火花点火内燃機関を提供する。
【解決手段】気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁１と、燃料噴射弁の吸気弁側近傍に配置された点火プラグ２と、気筒内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の減衰を抑制するためにピストン５頂面に形成されたキャビティ５ａとを具備し、均質燃焼に際して燃料噴射弁により吸気下死点近傍においてシリンダボアの排気弁側へ向けて噴射される燃料Ｆによりタンブル流が強められ、キャビティを除くピストン頂面Ａとシリンダヘッドとの間にはスキッシュエリアが形成される。
【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。

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が公知である。吸気行程において気筒内に生成されるタンブル流を圧縮行程後半まで持続させることができれば、圧縮行程末期の点火時期において気筒内にはタンブル流によって乱れを存在させることができ、均質燃焼の燃焼速度を速めることができる。

しかしながら、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、圧縮行程後半まで持続させることはできない。強いタンブル流を気筒内に形成するために、吸気ポートに吸気制御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）。

特開２００５−１８０２４７特開２００２−２２７６５１

前述の技術において、タンブル流を強めるためには吸気制御弁により吸気ポートを絞ることとなり、それでも吸気不足が発生しない機関運転状態では、このようにしてタンブル流を強めることができる。しかしながら、機関高負荷時のように多量の吸気が必要とされる時には、吸気制御弁により吸気ポートを絞ってタンブル流を強めることはできない。また、吸気制御弁及びその駆動機構の配置によって機関吸気系を複雑化させる。

従って、本発明の目的は、吸気制御弁を必要とせずに、タンブル流を確実に強めて良好な均質燃焼を実現可能な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、気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁の吸気弁側近傍に配置された点火プラグと、気筒内の排気弁側を下降して吸気弁側を上昇するタンブル流の減衰を抑制するためにピストン頂面に形成されたキャビティとを具備し、均質燃焼に際して前記燃料噴射弁により吸気下死点近傍においてシリンダボアの排気弁側へ向けて噴射される燃料により前記タンブル流が強められ、前記キャビティを除くピストン頂面とシリンダヘッドとの間にはスキッシュエリアが形成され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、均質燃焼に際して気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁により吸気下死点近傍においてシリンダボアの排気弁側へ向けて噴射される燃料により、気筒内の排気弁側を下降して吸気弁側を上昇するタンブル流が強められると共に、ピストン頂面にはタンブル流の減衰を抑制するためのキャビティが形成されているために、タンブル流を確実に圧縮行程後半まで持続させることができ、圧縮行程末期の点火時期においてキャビティ内にタンブル流による乱れを存在させて均質燃焼の燃焼速度を速めることができる。

ところで、気筒内全体に形成される均質混合気は、キャビティ外にも存在するが、キャビティを除くピストン頂面とシリンダヘッドとの間にはスキッシュエリアが形成されているために、圧縮行程末期にはスキッシュエリアからキャビティ外の混合気がスキッシュ流として噴出してキャビティ内の乱れが強められ、さらに燃焼速度を速めることができる。圧縮上死点においてスキッシュエリアには依然として一部の混合気が残留するが、圧縮上死点直後にピストンが降下し始めると、キャビティ内の火炎がスキッシュエリア内へ吸い込まれてスキッシュエリア内に残留する混合気を確実に燃焼させる。こうして、未燃燃料の排出量の少ない良好な均質燃焼を実現することができる。

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り、均質燃焼のための燃料噴射時期である吸気下死点近傍を示している。図２は図１の筒内噴射式火花点火内燃機関の吸気下死点近傍のシリンダヘッドの底面図である。図３は図１の筒内噴射式火花点火内燃機関の圧縮行程末期の点火時期を示している。これらの図において、１は気筒上部略中心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は燃料噴射弁１の吸気弁側近傍に配置された点火プラグである。図１及び３には図示されていないが、気筒上部の右側には二つの吸気弁３が配置されており、左側には二つの排気弁４が配置されている。

５はピストンであり、その頂面には、気筒内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の減衰を抑制するためのキャビティ５ａが形成されている。キャビティ５ａのタンブル流Ｔと平行な断面形状は、図１及び３に示すように、例えば、部分円弧形状をとされ、タンブル流Ｔは、滑らかにキャビティ５ａ内へ流入すると共に、滑らかにキャビティ５ａから流出し、キャビティ５ａに沿って進行する際の抵抗が小さくされている。

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１により吸気下死点近傍（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。

燃料噴射弁１は、図１及び２に示すように、六つの丸噴孔から六方向に柱状に燃料Ｆを噴射する。六つの燃料噴射方向は、いずれも斜め下方向にシリンダボアの排気弁側へ向けられる。また、六つの噴射燃料Ｆの中心を滑らかに繋ぐと、上側に凸の部分円弧形となっている。燃料噴射弁１から噴射される各燃料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設定される。

このように強い貫徹力の燃料Ｆが気筒上部略中心からシリンダボア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、ピストン５の頂面に形成されたキャビティ５ａによる減衰抑制効果も相俟って、圧縮行程後半まで確実に持続し、圧縮行程末期の点火時期にはキャビティ５ａ内に乱れを発生させ、キャビティ５ａを臨む点火プラグ２により着火させると、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。

燃料噴射弁１から噴射される噴射燃料Ｆの形状は、任意に設定可能であり、例えば、単一噴孔から噴射される中実又は中空の円錐形状としても良い。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形状又は折れ線状断面形状としても良い。いずれにしても噴射燃料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Ｔを加速させるようになっていれば良い。

本実施形態において、点火プラグ２は、燃料噴射弁１より吸気弁側に配置されているために、燃料噴射弁１からシリンダボアの排気弁側へ向けて噴射される燃料により濡らされることはなく、点火時期においてアークを確実に発生させることができる。

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（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。もちろん、均質燃焼の空燃比は、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。

本実施形態においては、ピストン５の頂面にタンブル流Ｔの減衰を抑制するキャビティ５ａが形成されており、圧縮行程後半まで持続するタンブル流Ｔは主にキャビティ５ａ内を旋回する。それにより、圧縮行程末期において、タンブル流Ｔによる乱れは主にキャビティ５ａ内に発生する。こうして、キャビティ５ａ内においては、前述したように乱れによって燃焼速度の速い良好な燃焼を実現することができる。しかしながら、均質混合気は、気筒内全体に形成されてキャビティ５ａの外にも存在するために、そのままでは、キャビティ５ａ外の混合気を良好に燃焼させることができず、未燃燃料の排出量を増加させてしまう。

本実施形態では、このような未燃燃料の排出量の増加を抑制するために、キャビティ５ａを除くピストン頂面Ａ（図１参照）とシリンダヘッドの一部Ｂとの間にはスキッシュエリアが形成される。図２において、一点鎖線の斜線により、スキッシュエリアのシリンダヘッド側部分Ｂが示されている。それにより、図３に示すように、圧縮行程末期にはスキッシュエリアからキャビティ５ａ外の混合気がスキッシュ流Ｓとして噴出し、キャビティ５ａ内の乱れが強められるために、さらに燃焼速度を速めることができる。

圧縮上死点において、１から２ｍｍ程度の隙間として形成されるスキッシュエリアには依然として一部の混合気が残留するが、圧縮上死点直後にピストン５が降下し始めると、キャビティ５ａ内の火炎がスキッシュエリア内へ吸い込まれてスキッシュエリア内に残留する混合気を確実に燃焼させる。こうして、キャビティ５ａ外の混合気も殆ど燃焼させることができ、未燃燃料の排出量の少ない良好な均質燃焼を実現することができる。

一般的に、開弁時の吸気弁３及び排気弁４とピストン５との衝突を防止するために、ピストン５頂面には、それぞれのバルブリセスが形成される。本実施形態においては、ピストン５の頂面に比較的大きなキャビティ５ａを形成することとなるために、バルブリセスを省略するようにキャビティ５ａを形成するようにしても良い。

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下死点近傍の概略縦断面図である。図１の筒内噴射式火花点火内燃機関の吸気下死点近傍のシリンダヘッドの底面図である。図１の筒内噴射式火花点火内燃機関の圧縮行程末期の概略縦断面図である。

符号の説明

１燃料噴射弁
２点火プラグ
３吸気弁
４排気弁
５ピストン
５ａキャビティ
Ｔタンブル流
Ｆ噴射燃料
Ｓスキッシュ流

Claims

気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁の吸気弁側近傍に配置された点火プラグと、気筒内の排気弁側を下降して吸気弁側を上昇するタンブル流の減衰を抑制するためにピストン頂面に形成されたキャビティとを具備し、均質燃焼に際して前記燃料噴射弁により吸気下死点近傍においてシリンダボアの排気弁側へ向けて噴射される燃料により前記タンブル流が強められ、前記キャビティを除くピストン頂面とシリンダヘッドとの間にはスキッシュエリアが形成されることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。