JP2009079570A - 筒内噴射型内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、点火プラグの点火部近傍のガス流速を抑えると共に、点火に適した混合気が、長く滞留させられる筒内噴射型内燃機関を提供する。
【解決手段】本発明の筒内噴射型内燃機関は、燃焼室６の噴射部１１と点火部１７との間の壁面に、噴射部１１から噴射された燃料を直接的に点火部近傍へ向わせる通路２５を有して噴射部１１から噴射された燃料の一部を反射させて間接的に点火部近傍へ向わせる反射部２８を設けた。同構成により、点火に適した混合気が、直接と間接といった２種類の経路がもたらす到達時期の差、さらには反射により点火部へ到達するガス流速が抑えられることにより、点火部近傍に、長い期間、滞留し続ける。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃焼室内に成層混合気を形成して燃料を行う筒内噴射型内燃機関に関する。

燃焼室内に燃料を直接噴射して混合気を形成する筒内噴射型内燃機関、いわゆる直噴エンジンには、部分負荷リーンバーンの実現のため、スプレーガイド方式を用いて、燃焼室内に成層混合気を形成するエンジンがある。
こうした成層混合気を形成するエンジンには、特許文献１にも開示されているように、燃焼室の壁面に、燃料噴射弁の噴射部と点火プラグの点火部とを並んで設けて、噴射部から、直接、燃料を点火プラグの点火部近傍へ燃料を噴射させて、燃焼室の全体を空気過剰状態としながら、点火プラグの点火部近傍に、点火に適した理論空燃比の混合気エリアを確保するエンジンがある。つまり、部分負荷運転時は、燃焼室内において、点火プラグの点火部の近傍に生成される濃い目の混合気エリアを火種としたリーンバーンが行われるようにしてある。

ところで、こうした成層混合気を形成するエンジンにおいて、点火に適した混合気が点火部近傍で生成されるようにするためには、点火プラグは、燃料の噴射に起因した高いガス流速による放電の吹き消えが発生しない範囲で、できるだけ燃料噴射弁の噴射弁から近い地点に配置して、燃料噴射弁の燃料噴射部から噴射された燃料を、目的とする点火部近傍の位置へ噴射させることが求められる。

しかし、燃料噴射弁から噴射される燃料の流速は、燃料噴射弁の近くに点火プラグが配置されるために速く、点火プラグの点火部近傍には、点火に適した混合気は、ごく短い期間しか滞留しない。
点火は、この短い期間で行うことが求められるため、リーンバーン運転では、安定した燃焼が得られる運転範囲が狭い。

そこで、スプレーガイド方式のリーンバーンエンジンには、上記のような直接、点火プラグの点火部へ燃料を供給するのではなく、特許文献２に開示されているように燃料を、点火部の手前で、障害物に衝突させて、衝突により反射した燃料が点火プラグの点火部近傍へ供給されるようにしたエンジンも提案されている。
特開平１０−５４２４６号公報 特開２００６−２９１７９８号公報

こうした燃料を間接的に点火プラグの点火部へ供給するエンジンによると、直接、燃料を点火部近傍へ噴射するエンジンに比べ、衝突がもたらす燃料の拡散により、点火部近傍に滞留する混合気の期間が、若干、長くなる。
しかし、点火に適した混合気は、それでも点火プラグの点火部近傍にはごく短い期間しか滞留せず、直接、燃料を噴射する技術と同様、リーンバーンは、安定した燃焼が得にくい。

このため、いずれの技術を用いても、リーンバーンは、安定して燃焼する範囲、すなわち安定燃焼範囲が小さいものであった。
そこで、本発明の目的は、点火プラグの点火部近傍のガス流速を抑えると共に、点火に適した混合気が、長く滞留させられる筒内噴射型内燃機関を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するために、燃焼室の噴射部と点火部との間の壁面に、噴射部から噴射された燃料を直接的に点火部近傍へ向わせる通路を有して噴射部から噴射された燃料の一部を反射させて間接的に点火部近傍へ向わせる反射部を設けた。
この反射部により、リーンバーン時、燃料噴射弁から燃料が噴射されると、点火プラグの点火部近傍には、まず、直接、点火部へ向う燃料によって、点火に適した混合気が生成される。ついで、遅れて、間接的に点火部へ向う燃料が点火部近傍に到達し、当該点火部近傍に点火に適した混合気を生成し続ける。つまり、点火に適した混合気は、直接と間接といった２種類の経路がもたらす到達時期の差により、点火部近傍に、長い期間、滞留し続けることが可能となる。しかも、反射がもたらす燃料の衝突により、点火部へ到達するガス流速が抑えられる。これにより、混合気の点火は安定し、リーンバーン燃焼が安定して行える。

請求項２に記載の発明は、さらに、簡単な構造で、燃料の反射が行えるよう、反射部は、燃焼室内へ突き出た一対の突起部をから構成した。
請求項３に記載の発明は、点火プラグの点火部近傍へ燃料が反射しやすいよう、一対の突起部には、それぞれ互いに向き合う一対の壁面を有し、噴射された燃料を、それぞれ壁面で反射させるものとした。

請求項４に記載の発明は、さらに同構造の活用により、一層、点火部へ向う間接的燃料のガス流速を低くして点火吹き消えを抑制すると共に、一層、点火部近傍に到達する時期を遅らせるよう、一対の壁面は、点火部へ向うにしたがい壁面の間隔が狭く設定され、反射した燃料同士を壁面間で衝突させてから、点火プラグへ向わせるようにした。
請求項５に記載の発明は、さらに、マルチホールをもつ噴射部を活用して、点火部近傍に、点火に適した混合気が滞留し続けるよう、燃料噴射弁の噴射部は、少なくとも３つの噴射孔をもち、そのうちの１つの噴射孔からは、直接的に点火部へ向う燃料が噴射され、２つの噴射孔からは、反射部へ向う燃料が噴射される構成とした。

請求項１の発明によれば、点火プラグの点火部近傍には、直接と間接といった２種類の経路により、点火に適した混合気を長く滞留させることができる。しかも、反射により、点火プラグの点火部近傍のガス流速は抑えられる。
したがって、点火部近傍に生成される混合気の点火が安定して行え、リーンバーンの燃焼を安定して行うことができる。

請求項２の発明によれば、燃焼室の噴射部と点火部との間の壁面に一対の突起部を設けるという、簡単な構造で、燃料の反射ができる。
請求項３の発明によれば、互いに向き合う一対の側面により、点火プラグの点火部近傍へ燃料を反射しやすくできる。
請求項４の発明によれば、さらに反射した燃料を壁面間で衝突させるという、簡単な構造により、燃料を点火部に向って直接噴射した場合、燃料は点火吹き消えの原因となるガス流速の上昇を回避しながら点火部近傍へ向う。このため、点火部近傍に点火に適した混合気を輸送できる。しかも、一層、点火部へ向う間接的な燃料の点火部近傍に到達する時期を遅らせることができる。そのうえ、燃料は、拡散しながら点火部近傍へ到達するから、たとえ点火プラグの装着により、点火部の側極位相がばらついていたとしても、点火部の点火位置の近傍で、点火に適した混合気を広範囲に生成することができ、併せて点火部の側極位相のばらつきを要因とした燃焼のばらつきが抑えられる利点もある。

請求項５の発明によれば、マルチホールをもつ噴射部を活用して、合理的に、点火部近傍に、点火に適した混合気を滞留し続けさせることができる。

以下、本発明を図１〜図８に示す一実施形態にもとづいて説明する。
図１は４サイクルの筒内噴射型内燃機関、例えばスプレーガイド式の直噴ガソリンエンジン（単にエンジンという）の１気筒当たりの燃焼室の構造を示す斜視図、図２はその図１中のＡ−Ａ線に沿う断面図、図３は図１中のＢ−Ｂ線に沿う断面図をそれぞれ示している。

図１〜図３中１は、エンジン本体を構成するシリンダブロックを示す。このシリンダブロック１には、ピストン２を往復動可能に収めた気筒３が形成されている。
同じく図中５は、シリンダブロック１の上部に搭載されたシリンダヘッドを示す。シリンダヘッド５の気筒３と向き合う下面には、燃焼室６が形成されている。この燃焼室６の両側には、吸気ポート（図示しない）からの吸気を制御する一対の吸気バルブ７と、排気ポート（図示しない）からの排気を制御する一対の排気バルブ８とが設けられている。燃焼室６の中央には、燃料噴射弁１０が取り付けられている。この燃料噴射弁１０は、先端に燃料を噴射する噴射部１１をもつ。この燃料噴射弁１０の噴射部１１が燃焼室６内に突き出ている。

また燃焼室６には、燃料噴射弁１０と並んで点火プラグ１５が取り付けられている。点火プラグ１５は、シリンダヘッド１にねじ込まれたプラグ本体１６をもち、同プラグ本体１６の先端部に点火部１７をもつ。点火部１７には、一般的な電極構造、すなわち中心電極１８とＬ形の側極１９（中心電極１８の軸心方向に延びるアーム部と同じく軸心方向と交差する方向に延びるアーム部とで構成される）とを組み合わせて、中心電極１５の先端と側極１９の先端間に放電部（点火位置）を形成した構造が用いられている。この点火部１７が燃焼室６内に突き出て、噴射部１１と隣接している。

噴射部１１は、隣接した点火プラグ１５の点火部１７へ向って燃料を噴射する。この噴射部１１には、燃料噴射弁１０の先端部に、点火プラグ１５側に向って開口する複数の噴射孔、具体的には３つ以上の噴射孔、本実施形態では５つの噴射孔２１を形成した構造が用いられている。
点火プラグ１５の点火部１７は、この噴射孔２１から噴射される燃料により発生するガス流速で吹き消えが生じない範囲で、できる限り、噴射部１１に近付けさせてある。

これにより、成層混合気を燃焼させるリーンバーン運転が可能な４サイクルエンジンを構成している。すなわち、ピストン２の動き、吸気バルブ７の開閉、排気バルブ８の開閉で形成される４サイクル（吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程）のうち、圧縮行程時、噴射部１１から燃料を噴射すると、燃焼室６の全体を空気過剰状態としながら、点火プラグ１５の点火部１７近傍に、点火に適した理論空燃比の混合気エリアが形成されるという、成層混合気が生成される。つまり、点火プラグ１５の点火部１７の近傍に生成される濃い目の混合気を火種としたリーンバーンが行われる構造となっている。なお、吸気行程時に噴射部１１から燃料を噴射すると、燃焼室６の全体が均一の混合気が形成される。

燃焼室６の噴射部１１と点火部１７間の壁面には、点火に適した混合気を、できるだけ点火部１７に滞留し続けさせる構造が設けられている。図４には、同構造を拡大した斜視図が示されている。
同構造を説明すると、２５は、燃焼室６の噴射部１１と点火部１７との間に後述する一対の突起部２８によって形成された通路である。通路２５は、例えば同間の壁面部分に形成され、噴射部１１から点火部１７へ向って一直線に延びる溝形の凹部２６を含んでいる。この通路２５により、噴射部１１と点火部１７間に、噴射部１１から噴射された燃料の一部を、直接的に、点火部１７へ向わせる直接的な経路２７を構成している。

この通路２５の両側には、一対の突起部２８（本願の反射部に相当）が設けられている。この一対の突起部２８は、燃焼室６の壁面と一体に形成されている。この一対の突起部２８にて、噴射部１１と点火部１７間に、噴射部１１から噴射された燃料の一部を、突起２８で反射させて、間接的に点火部１７へ向わせる間接的な経路２９を構成している。
この間接的な経路２９と上記直接的な経路２７との経路長の差と噴霧と側面の衝突による流速の変化から、点火部１７の点火位置の近傍には、直接に向う燃料に続いて、間接的に向う燃料が到達するようにしている。

この間接的な経路２９には、直接的な経路２７と差をつけるため、種々の工夫が施されている。
具体的には、反射した燃料を点火部１７の近傍へ向いやすくさせる構造が採用されている。同構造は、例えば一対の突起部２８を、燃焼室６内へ突き出る三角柱状の突起で形成して、通路２５の両側に、通路２５の両側に沿って延びる一対の細長の側面３０を形成したものである。なお、角部は、いずれも円弧形に成形してある。この向き合う一対の側面３０により、燃料を点火部１７の近傍へ反射されやすくしている。

また一対の側面３０は、図４に示されるようにクロスした斜線の領域で示している地点を、燃料の一部が衝突して反射する反射部分Ｓ（片側しか図示せず）としている。さらに一対の側面３０の間隔は、図４に示されるように噴射部１１から点火部１７へ向うにしたがい狭くなるように設定（Ｌ１＞Ｌ２）されていて、それぞれ反射部分Ｓで反射した燃料同士を一対の側面３０間で衝突させてから、点火部１６へ向わせることで、互いの流速を相殺して点火部１７へ到達する際のガス流速を抑えて点火吹き消えを回避し、そのうえ、燃料の到達する時期を遅らせることもできるようにしている。

また複数の噴射孔２１は、合理的に燃料が直接的な経路２５と間接的な経路２９へ導かれるよう、経路２５，突起２８へ合わせた向きにしてある。具体的には、図２〜図４に示されるように点火部１７側へ向く複数（ここでは５つ）の噴射孔２１のうち、１つの噴射孔２１ａは、直接、点火部１７へ向う燃料が噴射されるよう、通路２５の正面に配置してある。特にこの噴射孔２１ａは、燃料が早く到達するよう、点火部１６の直上（側極１９先端部の上側）へ向って燃料が直接噴射されるようにしてある。

また複数の噴射孔２１のうち、噴射孔２１ａの両側の２つの噴射孔２１ｂは、それぞれ通路２５の両側へ燃料が噴射される向きにしてある。特に両側の噴射孔２１ｂ、２１ｂは、側極１９の向きに影響されないよう、側極１９がどのような位相で停止しても、直接、噴霧に触れずにすむ角度に配置してある。具体的には、両側の噴射孔２１ｂ，２１ｂは、点火部１７を挟んだ両側へ燃料が噴射される角度に配置され（図６を参照）、直接、噴霧が側極１９に触れずにすむようにしている。この両側の噴射孔２１ｂ，２１ｂの配置により、通路２５の各反射部分Ｓで、燃料が反射しやすく、しかも反射した後の燃料が点火部１７の近傍へ導かれやすくしている。

こうした２種類の経路２７，２９をもつ燃焼室６の構造にて、リーンバーン時、燃焼が安定して行えるようにしている。
すなわち、図５〜図８を加えてリーンバーン時の燃焼の挙動を説明すると、今、例えば部分負荷リーンバーンのため、ピストン２の圧縮行程時、燃料噴射弁１０が、エンジンの運転状態により求められた噴射時間（噴射量）にしたがい、開弁動作したとする。すると、燃料が、複数の噴射孔２１から燃料が噴射される。

このうち、通路２５の正面に配置された噴射孔２１ａからの燃料αは、図２〜図７に示されるように直接的な経路２７へ向う。すなわち同燃料αは、通路２５を通じて、直接、点火プラグ１５の点火部１７の近傍、具体的には点火部１７の直上（側極１９の直上）へ噴射される。この燃料が点火部１７の直上に到達するにしたがい、点火部１７近傍には、点火に適した混合気が生成される（燃料の気化による）。

一方、２つの噴射孔２１ｂ，２１ｂから点火部１７の両側へ向って噴射される燃料βの一部は、通路２５の両側の突起部２８へ向う。すると、同燃料βは、突起部２８とそれぞれ衝突する。具体的には、図２〜図７に示されるように燃料βは、一対の壁面３０のそれぞれ反射部分Ｓと衝突する。
ここで、一対の壁面３０は、点火プラグ１５側に向うにしたがい狭くなっているから、それぞれ壁面３０で衝突した燃料は、図６中の矢印ａに示されるように反射して壁面間へ向い、凹部２６内および壁面間で、これら燃料同士が衝突する。この衝突後の流速が弱まった燃料βが、点火部近傍へ到達する。つまり、噴射された燃料は、間接的な経路２９を経て、点火部１７の近傍へ噴射される。

この間接的な経路２９を通る燃料は、先の直接的な経路２７を通る燃料よりも、経路長が長いから、先の直接的な経路２７を通る燃料αから遅れて、点火部近傍に到達する。そして、点火部近傍、すなわち中心電極１８と側極１９とのギャップで、先の直接的な経路２７の燃料αで生成された混合気に続いて、点火に適した混合気を生成し続ける（燃料の気化による）。

これにより、燃料噴射中および噴射直後の短い期間でも、点火部近傍には、直接と間接といった２種類の経路２７，２９がもたらす到達時期の差により、点火に適した混合気を、長い期間、滞留し続けさせることができる。
このことは、燃焼室６の全体を空気過剰状態としながら、点火プラグ１５の点火部１７の近傍には、理論空燃比の混合気エリアが、長い期間、滞留し続ける（成層混合気）。しかも、反射により、点火部近傍へ到達する際のガス流速は抑えられている。

したがって、混合気の点火は、安定して行える。それ故、点火部近傍に生成される濃い目の混合気エリアを火種としたリーンバーンが安定して行える。
しかも、間接的な経路２９は、燃料を、直接、点火部１６へ導く通路２５の両側に、一対の突起部２８を形成して、燃料を反射させる構造なので、簡単な構造ですむ。そのうえ、燃料の反射は、通路２５の両側に沿って延びる一対の側面３０で行う構造にしてあるので、点火部近傍へ燃料が反射させやすい。

加えて、間接的な経路２９は、反射した燃料を側面間で衝突させたりするなどの構造が採用してあるので、簡単な構造で、燃料βが点火部近傍へ到達する時期を遅らせることができる。特に、反射させた燃料同士を衝突させると、点火部１７へ到達する際のガス流速が抑えられるので、点火吹き消えを回避するうえ、かなり燃料の到達する時間を遅らせることができる。しかも、衝突後の燃料は、拡散しながら点火部近傍へ到達するから、たとえ点火プラグ１５のねじ込み具合（装着具合）により、図１〜図７に示されるような噴射部１１とは反対側に側極１９が配置される向きではなく、図８中の実線に示されるように側極１９が燃料噴射を遮る方向（噴射部１１側）に配置されたり、図８中の二点鎖線に示されるように途中の位置に側極１９が配置されたりすることがあっても（点火部の側極位相のばらつき）、十分に点火部１７の点火位置に燃料が進入するため、点火部１７の側極位相のばらつきに関わらずに、点火部近傍において、十分に点火に適した混合気を生成することができる。

また噴射部１１のマルチホールを用い、直接的な経路２７と間接的な経路２９に分けて燃料を噴射するようにしたことで、合理的に、点火部近傍に、点火に適した混合気を滞留し続けさせることができる。特に、直接、点火部１７の直上へ燃料を噴射させると、早く燃料を到達させることができ、その分、点火に適した混合気を、長く滞留し続けさせることができる。しかも、このとき点火部１７へ直接噴射される燃料は、間接的に点火部１７へ向う燃料を引きずり込むため、直接的に点火部１７に向う燃料αで、間接的に点火部１７へ向うを燃料βの過度の拡散を抑えることができ、これによっても、点火に適した混合気が、長い期間、点火部近傍に滞留しやすくなる。

なお、本発明は上述した一実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施しても構わない。

本発明の一実施形態に係る筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造を示す斜視図。 図１中のＡ−Ａ線に沿う断面図。 図１中のＢ−Ｂ線に沿う断面図。 噴射部と点火部間に形成される直接的な経路と間接的な経路とを説明する斜視図。 燃焼室内に成層混合気を生成する挙動を説明するための斜視図。 同じく下面図。 同じく図５とは異なる方向から見た斜視図。 点火プラグの側極位置が異なるときについての挙動を説明する下面図。

符号の説明

６ 燃焼室
１０ 燃料噴射弁
１１ 噴射部
１５ 点火プラグ
１７ 点火部
１８ 中心電極
１９ 側極
２１ 噴射孔
２５ 通路
２６ 凹部
２７ 直接的な経路
２８ 突起部（反射部）
２９ 間接的な経路
３０ 側面
Ｓ 反射部分

Claims (5)

1. 内燃機関の燃焼室に噴射部を有し、当該噴射部から前記燃焼室内へ燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記噴射部と並んで配置される点火部を有し、当該点火部で前記噴射部から噴射された燃料を点火する点火プラグと、
   前記燃焼室の前記噴射部と前記点火部との間の壁面に、前記噴射部から噴射された燃料を直接的に前記点火部近傍へ向わせる通路を有し前記噴射部から噴射された燃料の一部を反射させて間接的に前記点火部近傍へ向わせる反射部とを備えた
   ことを特徴とする筒内噴射型内燃機関。
2. 前記反射部は、前記通路の両側から燃焼室内へ突き出た一対の突起部から構成されることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射型内燃機関。
3. 前記一対の突起部は、前記通路の両側に沿ってそれぞれ延びた互いに向き合う一対の側面を有し、前記噴射部から噴射された燃料の一部を、それぞれ側面で反射させることを特徴とする請求項２に記載の筒内噴射型内燃機関。
4. 前記一対の側面は、前記点火部へ向うにしたがい側面の間隔が狭く設定され、反射した燃料同士を側面間で衝突させてから、前記点火プラグへ向わせるようにしてあることを特徴とする請求項３に記載の筒内噴射型内燃機関。
5. 前記燃料噴射弁の噴射部は、少なくとも３つの噴射孔を有し、そのうちの１つの噴射孔からは、直接的に前記点火部近傍へ向う燃料が噴射され、２つの噴射孔からは、前記反射部へ向う燃料が噴射されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一つに記載の筒内噴射型内燃機関。

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