JP2009047070A

JP2009047070A - 筒内噴射式火花点火内燃機関

Info

Publication number: JP2009047070A
Application number: JP2007213900A
Authority: JP
Inventors: Hisato Hirooka; 久人広岡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-08-20
Filing date: 2007-08-20
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2027-08-20
Also published as: JP5029211B2

Abstract

【課題】タンブル流をできるだけ長く維持してタンブル流の崩壊を点火時期まで遅らせ、常に良好な均質燃焼を実現する。
【解決手段】燃焼室１０内において吸気ポート１５側では上昇し、排気ポート１６側では下降するように旋回するタンブル流Ｔ２を、ピストン１３が吸気行程の下死点付近にあるときに、燃料噴射を実行することにより増速させる。ピストン１３の頂面１９に、圧縮行程の末期において排気ポート１６側が低くなるように傾斜するタンブル流Ｔ２の楕円形状に沿ったキャビティ２０を形成する。
【選択図】図６

Description

本発明は筒内噴射式火花点火内燃機関に関し、特に、燃焼室内に生成されるタンブル流を維持するための装置に関する。

筒内噴射式火花点火内燃機関において混合気の均質燃焼を実現するために、燃焼室内に供給される吸気によってタンブル流を形成することが知られている。タンブル流が圧縮行程末期まで持続されると、点火時期においてタンブル流の崩壊により発生する乱れによって均質混合気が生成され、燃焼速度が高められて良好な均質燃焼が実現される。

タンブル流は、吸気ポート側では上昇し排気ポート側では下降するように旋回する渦であり、このタンブル渦はピストンの上昇によって点火時期よりも早期に崩壊しやすい。特許文献１、２には、ピストン頂面にキャビティを形成することによって、圧縮行程においてタンブル流を維持することを試みる提案がされている。
特開平１０−２２０２２９号公報特開２００５−１９５００１号公報

圧縮行程末期ではピストンの上昇速度が低下することに伴い、ピストン頂面の近傍のタンブル流に上向きの慣性力が働くため、タンブル流の下向き成分が多い排気ポート側において流速が大きく低下し、これによりタンブル渦の中心が排気ポート側に変位してタンブル渦が早期に崩壊しやすい。この現象は、特にエンジン回転数が相対的に低い状態で発生しやすいが、従来の構成は圧縮行程で燃料噴射を行う成層燃焼を意図したものであり、均質燃焼におけるタンブル渦の早期崩壊については対処していなかった。

本発明は、タンブル流をできるだけ長く維持してタンブル流の崩壊を点火時期まで遅らせ、常に良好な均質燃焼を実現できる筒内噴射式火花点火内燃機関を得ることを目的としている。

本発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関は、燃焼室内において吸気ポート側では上昇し、排気ポート側では下降するように旋回するタンブル流を、ピストンが吸気行程の下死点付近にあるときに燃焼室内の排気ポート側に向かって燃料を噴射することにより増速させる燃料噴射弁と、ピストンの頂面に形成され、圧縮行程の末期において排気ポート側が低くなるように傾斜するタンブル流の楕円形状に沿ったキャビティとを備えることを特徴としている。

いわゆる中央噴射であって、燃料噴射弁が燃焼室の上部中心から前記排気ポート側にずれた位置に配置され、かつ排気ポート側に向かって燃料を噴射するように構成されている場合、燃焼室の中心軸線と燃料噴射弁の取付け軸を含む平面を断面とするキャビティの形状は、中心軸線よりも排気ポート側に曲率中心を有し、かつ燃焼室のボア半径と同じ曲率半径を有する円弧と、円弧に接し、かつ吸気ポート側に向かって上昇する直線とによって形成される、と定義することができる。燃料噴射弁から排気ポート側に噴射された燃料によりタンブル流が増速されるが、圧縮行程では、ピストンが上死点に近づくに従って、タンブル渦が扁平になるとともに、渦の中心が排気ポート側に偏ってタンブル渦の楕円形状がキャビティに沿って傾き、これによりタンブル渦の早期崩壊が防止される。

いわゆるサイド噴射であって、燃料噴射弁が、吸気ポートよりも下側から、水平面に対して所定角だけ下側を向く噴射軸線に沿って燃料を噴射するように配置されている場合、ピストンが下死点にある状態において、燃焼室の中心軸線と噴射軸線を含む平面を断面とするキャビティの形状は、燃焼室のボア半径と同じ曲率半径を有し、かつ噴射軸線がほぼ接する円の一部である円弧と、この円弧に接し、かつ吸気ポート側に向かって上昇する直線とによって形成される、と定義される。中央噴射と比べて、燃料噴射の方向が異なるが、タンブル渦を維持するための作用は基本的に同様である。

本発明によれば、タンブル流が長く維持されて点火時期まで崩壊することがなく、良好な均質燃焼を実現することができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は本発明の筒内噴射式火花点火内燃機関の第１の実施形態を示す縦断面図である。

シリンダブロック１１に形成されたシリンダボア１２内にはピストン１３が摺動自在に設けられ、シリンダブロック１１の上に設けられたシリンダヘッド１４には吸気ポート１５と排気ポート１６が２つずつ形成される。吸気ポート１５は吸気弁１７によって開閉され、排気ポート１６は排気弁１８によって開閉される。ピストン頂面１９には、タンブル流を維持するための、後述するキャビティ２０が形成されている。

シリンダヘッド１４において、その中心から若干排気ポート１６側にずれた位置には燃料噴射弁２１が配設され、また燃料噴射弁２１の排気ポート１６側には点火プラグ２２が設けられる。燃料噴射弁２１の先端部において、排気ポート１６側のみに噴射孔が形成されている。すなわち燃料噴射弁２１は燃焼室１０内に直接臨んでおり、排気ポート１６側に向かって燃料を噴射するように構成されている。燃料噴射弁２１には、燃料タンク（図示せず）に貯留された燃料が燃料噴射ポンプ（図示せず）により加圧されて供給される。

図２はピストン１３を上から見た斜視図であり、図３はピストン頂面１９を示す平面図である。なお図２、３において、一点鎖線Ｌ１は凸状の角を示し、二点鎖線Ｌ２は凹状の角を示す。また破線Ｌ３、Ｌ４は凹陥部２０を構成する３つの面の境界を示し、これについては後に詳述する。

ピストン頂面１９の外周縁部２３は、ほぼ全周にわたってピストン１３の外周面側が低くなるように傾斜しており、外周縁部２３の内側は、凹球面状の凹陥部２４となっている。凹陥部２４の内側部分はさらに窪んでキャビティ２０が形成されており、キャビティ２０は図３において、胴部が括れた盃を横に倒したような形状を呈している。キャビティ２０の端部には、吸気弁１７あるいは排気弁１８が干渉しないように、三日月状の窪み２５、２６が２つずつ形成されている。

図４を参照してキャビティ２０の断面形状を説明する。この断面は燃焼室１０の中心軸線Ｓ１と燃料噴射弁２１の取付け軸Ｓ２を含む平面であり、また、この図においてピストン１３は下死点に位置している。キャビティ２０の断面形状は２つの円弧Ａ１、Ａ２と直線Ａ３によって形成される。円弧Ａ１は、取付け軸Ｓ２の上すなわち中心軸線Ｓ１よりも排気ポート１６側に曲率中心Ｃ１を有し、かつ燃焼室１０のボア半径（ｄ／２）と同じ曲率半径を有している。円弧Ａ２は、中心軸線Ｓ１上であって燃焼室１０の上部に曲率中心Ｃ２を有し、かつ燃焼室１０のボア径ｄを曲率半径とする円の一部である。直線Ａ３は、これらの円弧Ａ１、Ａ２に接している。円弧Ａ２に対する直線Ａ３の接点（図２、３における符号Ｌ４に対応する）は、中心軸線Ｓ１に関して、燃料噴射弁２１の噴射軸線（噴霧の中心線）Ｓ３の対称線Ｓ４と円弧Ａ２との交点である。なお、円弧Ａ２は非常に短く、直線と見なすこともできるので、円弧Ａ２と直線Ａ３を合わせて、吸気ポート１５側に向かって上昇する方向に傾斜する直線であると見なすこともできる。

図４の例では、キャビティ２０は３つの面から成り、図２、３を参照すると、破線Ｌ３よりも窪み２６側（すなわち排気ポート側）にある第１の円筒面と、破線Ｌ４よりも外側にある第２の円筒面と、破線Ｌ３、Ｌ４の間にある平面とから構成される。第１および第２の円筒面の中心軸線は図４において紙面に垂直である。キャビティ２０の形状すなわち深さは、圧縮比が所定値になるように定められ、ここに示した設計法は一例に過ぎず、多様な方法が可能である。要は、排気ポート側の深さが吸気ポート側よりも大きく、全体的に排気ポート側が低くなっていればよい。

図５は吸気行程の下死点付近において実行される燃料噴射とタンブル流Ｔ１を示し、図６は圧縮行程の上死点前（圧縮行程の末期）におけるタンブル流Ｔ２を示している。
吸気行程において吸気ポート１５から供給された空気によって、燃焼室１０内には、吸気ポート１５側では上昇し排気ポート１６側では下降するように旋回するタンブル流Ｔ１が形成される。吸気行程の下死点付近になると燃料噴射が実行される。燃料噴射弁２１の噴射孔は排気ポート１６側のみに形成されているので、燃料は図５に示されるように燃焼室１０の中心軸線Ｓ１よりも排気ポート１６側のみに高圧噴射される。すなわち燃料噴射の方向は、ピストン頂面１９の排気ポート１６に対向する部分を向いており、燃料噴射により、タンブル流Ｔが増速される。またピストン頂面１９には、タンブル流に沿った形状を有するキャビティ２０が形成されており、これによりタンブル流の増速効果が高められる。

燃料噴射の後、ピストン１３が上昇して、燃焼室１０内の混合気は圧縮される。この圧縮行程においてタンブル流Ｔ２の渦は、ピストン１３が上死点に近づくに従って、扁平になるとともに、凹陥部２２上のタンブル流に働く上向きの慣性力によって排気ポート１６側の下降流の流速が低下して、排気ポート１６側（破線Ｂ１で囲まれた部分）が低くなるように傾斜する楕円形状に変形しやすくなる。しかし本実施形態では、ピストン頂面１９に、このように傾斜するタンブル流の楕円形状に沿ったキャビティ２０が形成されているので、タンブル流Ｔ２の流れが阻害されることはなく、したがってタンブル渦が早期に崩壊することが防止され、点火時期の直前まで維持される。

以上のように本実施形態では、圧縮行程においてタンブル流が上死点直前まで維持されるので、点火時期にタンブル流の大きな渦が崩壊して乱れ（小さな多数の渦）に変化し、混合気が均一になって火炎の伝播速度が高められ、燃焼効率が改善される。

図７は第２の実施形態の構成を示し、図８は吸気行程の下死点付近において実行される燃料噴射とタンブル流Ｔ１を示している。第１の実施形態との違いは燃料噴射弁２１がシリンダヘッド１４において吸気ポート１５よりも下側から燃料を噴射するように取付けられている点である。また燃料噴射弁２１の噴射軸線Ｓ５は燃焼室１０内において水平線に対して所定角αだけ下側を向いている。

図９を参照して、第２の実施形態におけるキャビティ２０の断面形状を説明する。この断面形状は第１の実施形態と同じであるが、定義が異なる。すなわち、断面は燃焼室１０の中心軸線Ｓ１と噴射軸線Ｓ５を含む平面であり、また、この図においてピストン１３は下死点に位置している。この状態において、キャビティ２０の断面形状は２つの円弧Ａ１、Ａ２と直線Ａ３によって形成される。円弧Ａ１は、燃焼室１０のボア半径（２／ｄ）と同じ曲率半径を有し、かつ噴射軸線Ｓ５にほぼ接する円Ａ１０の一部である。円弧Ａ２は、中心軸線Ｓ１上であって燃焼室１０の上部に曲率中心Ｃ２を有し、かつ燃焼室１０のボア径ｄを曲率半径とする円の一部である。直線Ａ３は、これらの円弧Ａ１、Ａ２に接しており、また噴射軸線Ｓ５に平行である。円弧Ａ２に対する直線Ａ３の接点（図２、３における符号Ｌ４に対応する）は、中心軸線Ｓ１から所定角αだけ吸気ポート１５側に傾斜した直線Ｓ６と円弧Ａ２との交点である。なお、円弧Ａ２は非常に短く、直線と見なすこともできるので、円弧Ａ２と直線Ａ３を合わせて、吸気ポート１５側に向かって上昇する方向に傾斜する直線であると見なすこともできる。

なお、上述のように噴射軸線Ｓ５は、円Ａ１０に対する厳密な接線ではなく、接線に近い角度で傾斜しており、円Ａ１０に対する２つの交点が比較的近接しているような直線である。

第２の実施形態におけるキャビティ２０の形状は第１の実施形態と同じであり、したがって作用効果も第１の実施形態と同様である。

本発明の筒内噴射式火花点火内燃機関の第１の実施形態を示す縦断面図である。ピストンを上から見た斜視図である。ピストン頂面を示す平面図である。第１の実施形態におけるキャビティの形状を示す断面図である。吸気行程の下死点付近において実行される燃料噴射とタンブル流を示す図である。圧縮行程の上死点直前におけるタンブル流を示す図である。本発明の第２の実施形態を示す縦断面図である。吸気行程の下死点付近において実行される燃料噴射とタンブル流を示す図である。第２の実施形態におけるキャビティの形状を示す断面図である。

符号の説明

１０燃焼室
１３ピストン
１５吸気ポート
１６排気ポート
２０キャビティ
２３燃料噴射弁
Ｔ１、Ｔ２タンブル流

Claims

燃焼室内において吸気ポート側では上昇し、排気ポート側では下降するように旋回するタンブル流を、ピストンが吸気行程の下死点付近にあるときに前記燃焼室内の前記排気ポート側に向かって燃料を噴射することにより増速させる燃料噴射弁と、
前記ピストンの頂面に形成され、圧縮行程の末期において前記排気ポート側が低くなるように傾斜するタンブル流の楕円形状に沿ったキャビティと
を備える筒内噴射式火花点火内燃機関。
前記燃料噴射弁が、前記燃焼室の上部中心から前記排気ポート側にずれた位置に配置され、かつ前記排気ポート側に向かって燃料を噴射するように構成され、前記燃焼室の中心軸線と前記噴射噴射弁の取付け軸を含む平面を断面とする前記キャビティの形状が、前記中心軸線よりも前記排気ポート側に曲率中心を有し、かつ前記燃焼室のボア半径と同じ曲率半径を有する円弧と、前記円弧に接し、かつ前記吸気ポート側に向かって上昇する直線とによって形成され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。
前記燃料噴射弁が、前記吸気ポートよりも下側から、水平面に対して所定角だけ下側を向く噴射軸線に沿って燃料を噴射するように配置され、前記ピストンが下死点にある状態において、前記燃焼室の中心軸線と前記噴射軸線を含む平面を断面とする前記キャビティの形状が、前記燃焼室のボア半径と同じ曲率半径を有し、かつ前記噴射軸線がほぼ接する円の一部である円弧と、前記円弧に接し、かつ前記吸気ポート側に向かって上昇する直線とによって形成され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。