JP2009030487A - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】キャビティ近傍に形成された可燃混合気の拡散を抑制する機構を備えた筒内噴射式火花点火内燃機関を提供する。
【解決手段】燃焼室５上部に配置された点火プラグ１０と、頂面にキャビティ４ａが形成されたピストン４と、燃焼室５内に燃料を噴射する燃料噴射弁１１と、燃焼室５内に高圧空気１５を噴射する空気噴射弁１４とを具備する筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料が燃料噴射弁１１からキャビティ４ａ内に向かって噴射され可燃混合気１２を形成した後、空気噴射弁１４から高圧空気１５を噴射して可燃混合気１２と衝突させる。
【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。

燃焼室内へ直接的に燃料を噴射することによって、点火時点において点火プラグ近傍だけに着火性の良好な混合気（以下、可燃混合気と称す）を形成し、燃焼室内全体としては希薄な混合気の燃焼を可能にする成層燃焼が公知である。成層燃焼を行うため、点火プラグ近傍へ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁と、噴射された燃料噴霧の下方向近傍又は横方向近傍を通過し、燃料噴霧の分散を抑制するカーテン状の気流を燃焼室内に発生させるための気体噴射弁とを具備し、ピストンの位置にかかわらずに点火プラグ近傍に可燃混合気を形成することを可能にした筒内噴射式火花点火内燃機関が公知である（特許文献１参照）。

ところで、成層燃焼を可能にするその他の筒内噴射式火花点火内燃機関として、圧縮行程後半にピストン頂面に形成された凹状のキャビティ内へ燃料を噴射するようにした筒内噴射式火花点火内燃機関も公知である。こうして噴射された燃料は、キャビティ内壁面から受熱して気化して可燃混合気を形成し、形成された可燃混合気はキャビティの形状によってその近傍に滞留したまま点火プラグ近傍へ導かれて成層燃焼を実現する。

特開２００１−２４８４４３号公報

しかし、燃料噴射弁は、一般的に燃焼室上部周囲に配置されて燃料を斜め下方向に噴射するものであるために、ピストン頂面のキャビティ内へ確実に燃料を噴射するには、燃料噴射中におけるピストンの位置範囲が制限される。すなわち、圧縮行程後半の一定期間にしか燃料を噴射することができない。こうして、噴射可能な燃料量は必然的に少なくなり、成層燃焼運転領域は狭いものとされる。キャビティ内へ燃料を噴射可能なピストンの位置範囲が制限されているため、より多くの燃料をキャビティ内に噴射するためには、より高圧で高速に燃料を噴射しなければならない。そのように噴射された燃料噴霧は、キャビティ内で気化して可燃混合気となり、可燃混合気は適量の燃料が通常の速度で噴射された場合に比べてより高速な気流を形成する。従ってより高速な気流はキャビティ内近傍に滞留することができず、燃焼室内全体に拡散するような流れを形成する。可燃混合気が点火プラグ近傍へ導かれる前に燃焼室全体に拡散してしまうと、点火プラグ近傍に望ましい空燃比の可燃混合気を形成することができず失火等の原因となるという問題が生じる。

本発明は上記問題に鑑み、キャビティ近傍に形成された可燃混合気の拡散を抑制する機構を備えた筒内噴射式火花点火内燃機関を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明によれば、燃焼室上部に配置された点火プラグと、頂面にキャビティが形成されたピストンと、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃焼室内に高圧空気を噴射する空気噴射弁とを具備する筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料が前記燃料噴射弁から前記キャビティ内に向かって噴射され可燃混合気を形成した後、前記空気噴射弁から高圧空気を噴射して可燃混合気と衝突させ、可燃混合気が燃焼室内に拡散することを抑制する筒内噴射式火花点火内燃機関が提供される。すなわち、請求項１に記載の発明では、可燃混合気の拡散を抑制することが可能になることによって、高圧で燃料を噴射することが可能となり、必要な量の燃料を噴射することが可能となる。

また、請求項２に記載の発明によれば請求項１に記載の発明において、前記空気噴射弁から噴射される高圧空気の噴射量及び噴射圧を調整することにより前記点火プラグ近傍の可燃混合気の空燃比を調整する筒内噴射式火花点火内燃機関が提供される。すなわち、請求項２に記載の発明では、空気を用いることによって可燃混合気の拡散を抑制すると同時に、点火プラグ近傍の可燃混合気の空燃比を理論空燃比等に燃料噴射後に調整することが可能となる。

各請求項に記載の発明によれば、キャビティ近傍に形成された可燃混合気の拡散を抑制し、必要な量の燃料を噴射することが可能になるという共通の効果を奏する。

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を参照すると、１は例えば四つの気筒を備えた機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポート、１０は点火プラグ、１１は燃料噴射弁、１４は空気噴射弁をそれぞれ示す。排気ポート９下方のピストン４の頂面には凹状のキャビティ４ａが形成されている。燃料噴射弁１１は、燃焼室５上部周囲の吸気ポート７側に配置されており、空気噴射弁１４は、燃焼室５上部周囲の吸気ポート７側で燃料噴射弁１１の下に配置されている。以下、本発明による成層燃焼について説明する。

本発明の成層燃焼においては、まず、圧縮行程後半に、燃料噴射弁１１からキャビティ４ａ内へ燃料を噴射する。こうして噴射された燃料は、キャビティ４ａ内壁面から受熱して気化し、図２に示すように可燃混合気１２を形成する。形成された直後の可燃混合気１２は、キャビティ４ａ内及びそのすぐ上方において矢印で示すような循環流１３を形成し、キャビティ４ａ近傍に滞留する。その後、可燃混合気１２は、ピストン４の上昇と共に点火プラグ近傍へ導かれ、点火されて燃焼する。ここで、図３に示すように、点火直前に可燃混合気１２がキャビティ４ａ近傍に滞留せず、拡散してしまうと前述したように失火等の原因となる。

そこで本発明では、可燃混合気１２の点火前の拡散を抑制すべく、空気噴射弁１４から高圧空気１５を噴射するようにしている。すなわち、図２に示すように最初の燃料噴射によって可燃混合気１２が形成された後で点火されるまでの間に、図１に示すようにピストン４頂面に対して高圧空気１５を噴射する。このように噴射された高圧空気１５は、ピストン４頂面を進行した後、図１に示すようなピストン４頂面の傾斜のため、拡散しようとしている可燃混合気１２と上昇しながら衝突する。それによって、図１及び２において矢印に示すような可燃混合気１２形成時の循環流１３に逆らうことなく、可燃混合気１２の拡散が抑制できるようになる。従って、燃料を高圧で噴射したとしても可燃混合気１２の拡散を抑制できるため、必要な量の燃料を供給することが可能となる。

可燃混合気１２の拡散を抑制するために高圧空気１５を用いることのさらなる効果として、空気噴射弁１３からの噴射圧及び噴射量を調整することによって、可燃混合気１２及び高圧空気１５の衝突後の点火プラグ１０近傍の局所的な可燃混合気１２の空燃比を、例えば理論空燃比などに燃料噴射後に調整することが可能となる。さらに、高圧空気１５が空気噴射弁１３から噴射されることによって燃焼室５内に乱流が生成され、点火後の燃焼を燃焼室５内全体に波及させるという効果もある。

なお、本実施形態では、高圧空気１５をピストン４頂面に向けて噴射したが、可燃混合気１２に向けて直接噴射して拡散を抑制するようにしてもよい。また、高圧空気１５の最適な噴射方向、噴射速度等は、燃焼室５やキャビティ４ａ形状等によって定まるため、実際の高圧空気１５の噴射方向、速度等については、実際の内燃機関を用いた実験等により決定することが好ましい。また、キャビティ４ａは排気弁８の下方のピストン４頂面に形成したが、吸気弁６の下方のピストン４頂面又は頂面のその他の場所に形成してもよい。さらに、空気噴射弁１４は、上述の実施形態の配置のみならず、キャビティ４ａの形状等に応じて、形成された可燃混合気１２の拡散を抑制する方向に高圧空気１５を噴射できる任意の位置に配置することが可能である。さらに、本発明は、高圧で燃料を噴射しようとする場合のみならず、成層燃焼において可燃混合気１２が拡散する場合にそれを抑制する手段として用いることが可能である。

本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。 可燃混合気の形成を示す筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。 可燃混合気の拡散を示す筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。

符号の説明

１ 機関本体
４ ピストン
４ａ キャビティ
５ 燃焼室
１０ 点火プラグ
１１ 燃料噴射弁
１２ 可燃混合気
１４ 空気噴射弁
１５ 高圧空気

Claims (2)

1. 燃焼室上部に配置された点火プラグと、頂面にキャビティが形成されたピストンと、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃焼室内に高圧空気を噴射する空気噴射弁とを具備する筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料が前記燃料噴射弁から前記キャビティ内に向かって噴射され可燃混合気を形成した後、前記空気噴射弁から高圧空気を噴射して可燃混合気と衝突させ、可燃混合気が燃焼室内に拡散することを抑制する筒内噴射式火花点火内燃機関。
2. 前記空気噴射弁から噴射される高圧空気の噴射量及び噴射圧を調整することにより前記点火プラグ近傍の可燃混合気の空燃比を調整する請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。

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