JP2009133203A - ロータリピストンエンジンの燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴射タイミングを可及的に早期化して燃料の微粒化及び気化、霧化を促進することができるロータリピストンエンジンの燃料噴射装置を提供する。
【解決手段】吸気マニホールド２１と排気マニホールド２２との間で且つ吸気ポート１１よりもトレーリング側にインジェクタ１５を配設し、吸気ポート１１を指向して燃料を噴射するように噴射口を設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、いわゆる直噴型のロータリピストンエンジンに関し、特に、その燃焼安定性を向上するための燃焼噴射技術に関する。

従来より、直噴型のロータリピストンエンジンにおいて、噴射した燃料が点火時に点火プラグの近傍に集中するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。そこでは、ロータの回転に伴って吸気行程の後半から圧縮行程にかけてロータの回転方向に旋回するように発生する渦流の流れに沿うように燃料を噴射している。そうすることで、安定した成層化燃焼を実現でき、作動室の内周面への燃料の付着も軽減することができる。
特開平６−２８８２４９号公報

ここで、直噴型のロータリピストンエンジンの燃料噴射装置では、作動室内に均一な混合気を形成して燃焼させるために、噴射した燃料を確実に気化、霧化させて均一に拡散させることが重要である。しかしながら、従来のロータリピストンエンジンの燃料噴射装置では、点火プラグに向けて燃料を噴射する構成としているため、噴射した燃料を気化、霧化させる時間を十分に長く確保することが難しいという問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料噴射タイミングを可及的に早期化して燃料の微粒化及び気化、霧化を促進することができるロータリピストンエンジンの燃料噴射装置を提供することにある。

上述した目的を達成するため、本発明では、燃料噴射弁を吸気ポートよりもトレーリング側に配設して、燃料噴射タイミングを可及的に早期化できるようにした。

具体的に、本発明は、吸気行程にある作動室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えたロータリピストンエンジンの燃料噴射装置を対象とし、次のような解決手段を講じた。

すなわち、請求項１の発明は、前記燃料噴射弁は、前記作動室に面して開口する吸気ポートよりもトレーリング側に配設され、
前記燃料噴射弁の噴射口は、前記吸気ポートを指向して燃料を噴射するように形成されていることを特徴とするものである。

この構成によれば、燃料噴射弁を吸気ポートよりもトレーリング側に配設し、吸気ポートを指向して燃料を噴射するようにしたから、燃料噴射タイミングを可及的に早期化できる。すなわち、吸気作動室が拡がっていくタイミングで燃料噴射を行うことで、噴射した燃料を気化、霧化させる時間をできる限り長く確保して、作動室内に均一に拡散させることができる。さらに、吸気作動室内におけるリーディング側の空燃比を濃くしてリーディング側での燃焼性を向上することができ、優れた燃焼性能を発揮するロータリピストンエンジンを実現することができる。また、吸気ポートを指向して燃料を噴射することで、吸気の運動エネルギーを効率良く利用して、燃料の拡散を促進できる。

さらに、吸気ポートから吸気された空気で吸気作動室内の温度が低下する前に、燃料噴射弁により燃料を噴射するようにすれば、排気作動室から吸気作動室へ流入するダイリューションガスの熱により、噴射された燃料は瞬時に気化、霧化されることとなり、作動室内に均一な混合気を形成する上で有利となる。

請求項２の発明は、請求項１において、
前記吸気ポートを指向して噴射された燃料のペネトレーションが、前記燃料噴射弁の噴射口から前記作動室における噴射方向に対向する内周面までの距離よりも短く設定されていることを特徴とするものである。

この構成によれば、吸気ポートを指向して噴射された燃料のペネトレーションを、噴射口から作動室における噴射方向に対向する内周面までの距離よりも短く設定したから、ロータハウジングの内周面への燃料付着を抑制でき、燃料の均一拡散を安定して実現することができる。

請求項３の発明は、請求項１において、
前記吸気ポートに接続され、ロータハウジング外方に延設された吸気マニホールドを備え、
前記燃料噴射弁は、前記吸気マニホールドの下方に配設されるとともに、その周囲が遮蔽部材で覆われていることを特徴とするものである。

この構成によれば、燃料噴射弁の周囲が遮蔽部材で覆われているから、燃料噴射弁の下方に高温の燃焼ガスを流通させる排気マニホールドが配設されていたとしても、排気マニホールドから放射される放射熱が遮蔽部材で断熱され、燃料噴射弁が熱の影響を受けることを抑制できて信頼性を確保することができる。

請求項４の発明は、請求項１において、
前記燃料噴射弁の先端部は、略水平又は後端部よりも下方に位置するように傾斜して配設されていることを特徴とするものである。

この構成によれば、燃料噴射弁の先端部を略水平又は後端部よりも下方に位置するように傾斜して配設したから、噴射した燃料が燃料噴射弁の噴射口に溜まることなく下方に流れ落ちるようになり、高温のダイリューションガスにより燃料が燃焼して生成されるカーボンデポジットが噴射口周りに付着してしまうことを抑制できる。

請求項５の発明は、請求項１において、
前記吸気ポートに接続され、ロータハウジング外方に延設された吸気マニホールドと、
前記排気ポートに接続され、前記吸気マニホールドの下方に配設されるとともに前記ロータハウジング外方に延設された排気マニホールドとを備え、
前記燃料噴射弁は、前記吸気マニホールドと前記排気マニホールドとの間で且つ両マニホールドよりも延設方向の内側に配設されていることを特徴とするものである。

この構成によれば、吸気マニホールドと排気マニホールドとの間で且つ両マニホールドよりも延設方向の内側に燃料噴射弁を配設したから、吸気マニホールドと排気マニホールドとを車両側面方向に延設させれば、車両の側面衝突時に吸気マニホールドと排気マニホールドとで外部からの衝撃を緩和できて燃料噴射弁を保護することができ、安全性を確保することができる。

以上のように、本発明によれば、吸気作動室が拡がっていくタイミングで燃料噴射を行えば、噴射した燃料を気化、霧化させる時間をできる限り長く確保して、作動室内に均一に拡散させることができ、優れた燃焼性能を発揮するロータリピストンエンジンを実現することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

（エンジンの全体構成）
図１及び図２に、本発明の燃料噴射装置を適用したロータリピストンエンジン１（以下、単にエンジン１という）を示す。

図１に示すように、このエンジン１は、２つのロータ２，２を備えた２ロータタイプであり、２つのロータハウジング３，３が、インターミディエイトハウジング４をその間に挟んだ状態で、これらの両側からさらに２つのサイドハウジング５，５で挟み込むようにして一体化されている。なお、図１では、その右側の一部は切り欠いて内部を示すとともに、左側のサイドハウジング５も内部を示すために分離してある。また、図中の符号Ｘはエキセントリックシャフト６の軸心となる回転軸である。

そして、各ロータハウジング３，３の、平行トロコイド曲線で描かれるトロコイド内周面３ａ，３ａと、これらロータハウジング３，３を両側から挟むサイドハウジング５，５の内側面５ａ，５ａと、インターミディエイトハウジング４の両側の内側面４ａ，４ａとで、図２に示すように、回転軸Ｘの方向から見て繭のような略楕円形状をしたロータ収容室７が２つ横並びに区画されており、これらロータ収容室７にそれぞれロータ２が１つずつ収容されている。各ロータ収容室７，７は、インターミディエイトハウジング４に対して対称状に配置されており、ロータ２の位置、位相が異なっている点を除けば構成は同じであるため、以下、１つのロータ収容室７について説明する。

前記ロータ２は、回転軸Ｘの方向から見て各辺の中央部が膨出する略三角形状をしたブロック体からなり、その外周には、各頂部間に３つの略長方形をしたフランク面２ａ，２ａ，２ａが備えられている。各フランク面２ａの中央部分には、その長軸方向に延びるリセス２ｂが形成されている。

前記ロータ２の各頂部には、アペックスシール１６が設けられている。このアペックスシール１６は、ロータ２の厚み方向に延びていて、その厚さとほぼ同じ長さを持つ細長い部材で構成されている。アペックスシール１６は、ロータ２の各頂部に設けられたシール溝１７にスプリング１８を介して埋め込まれている。このスプリング１８は、アペックスシール１６を径方向外側に向かって押し出している。そして、各アペックスシール１６は、ロータ２の回転時は、遠心力によってロータハウジング３のトロコイド内周面３ａに押し付けられ、そのトロコイド内周面３ａを摺動する（つまり、接触しながら移動する）ようになっている。

これにより、ロータ２の各頂部とロータハウジング３のトロコイド内周面３ａとの間が封止され、このロータハウジング３のトロコイド内周面３ａと、インターミディエイトハウジング４の内側面４ａと、サイドハウジング５の内側面５ａと、ロータ２のフランク面２ａとで、ロータ収容室７の内部にそれぞれ３つの作動室８，８，８が区画形成されている。

また、ロータ２の内側には図示しない位相ギアが設けられている。すなわち、ロータ２の内側の内歯車（ロータギア）とサイドハウジング５側の外歯車（固定ギア）とが噛合するとともに、ロータ２は、インターミディエイトハウジング４及びサイドハウジング５を貫通するエキセントリックシャフト６に対して、遊星回転運動をするように支持されている。

すなわち、ロータ２の回転運動は内歯車と外歯車との噛み合いによって規定され、ロータ２は、３つのシール部が各々ロータハウジング３のトロコイド内周面３ａに摺接しつつ、エキセントリックシャフト６の偏心輪６ａの周りを自転しながら、回転軸Ｘの周りに自転と同方向に公転する（この自転、公転を含め、広い意味で単にロータの回転という）。そして、ロータ２が１回転する間に３つの作動室８，８，８が周方向に移動し、それぞれで吸気、圧縮、膨張（燃焼）及び排気の各行程が行われて、これにより発生する回転力がロータ２を介してエキセントリックシャフト６から出力される。

より具体的に、図２において、ロータ２は矢印で示すように、時計回りに回転しており、回転軸Ｘを通るロータ収容室７の長軸Ｙを境に分けられるロータ収容室７の左側が概ね吸気及び排気行程の領域となり、右側が概ね圧縮及び膨張行程の領域となっている。

そして、図２の左上側の作動室８に着目すると、これは吸気と噴射された燃料とで混合気を形成する吸気行程を示しており、この作動室８がロータ２の回転に連れて圧縮行程に移行すると、その内部にて混合気が圧縮される。その後、図２の右側に示す作動室８のように圧縮行程の終盤から膨張行程にかけて所定のタイミングにて点火プラグ９，９により点火されて、燃焼・膨張行程が行われる。そして、最後に図２の下側の作動室８のような排気行程に至ると、燃焼ガスが排気ポート１０から排気された後、再び吸気行程に戻って各行程が繰り返されるようになっている。本発明の燃料噴射装置は、前記各行程のうち、吸気行程を対象としているため、その吸気行程にある作動室８（以下、吸気作動室８という）についてさらに詳しく説明する。

（燃料噴射装置の構成）
吸気作動室８は、先に説明したようにロータ２の回転に伴ってロータ収容室７の長軸Ｙ方向の一端側（図２の上側）において形成されており、この吸気作動室８内に直接燃料を噴射するようにインジェクタ１５（燃料噴射弁）が配設されている。このインジェクタ１５の配設位置に関しては後述する。

図１及び図２に示すように、この吸気作動室８には、複数の吸気ポート１１，１２，１３が連通している。すなわち、吸気作動室８に面するインターミディエイトハウジング４の内側面４ａには、ロータ収容室７の外周側の短軸Ｚ寄りに第１吸気ポート１１が開口している。また、吸気作動室８に面するサイドハウジング５の内側面５ａには、第１吸気ポート１１に対向するように、そのロータ収容室７の外周側の短軸Ｚ寄りに第２吸気ポート１２及び第３吸気ポート１３が開口している。

前記吸気ポート１１，１２，１３は、インターミディエイトハウジング４及びサイドハウジング５における短軸Ｚ方向の一端面（図２では左側面）に連通するように開口しており、各吸気ポート１１，１２，１３には吸気マニホールド２１が接続されている。この吸気マニホールド２１は、ロータハウジング３外方に延設されてさらに上方に延び、図示しない吸気管に接続されて各吸気ポート１１，１２，１３に対してエアを吸気する吸気流路を形成している。

また、前記排気ポート１０についても同様に、インターミディエイトハウジング４及びサイドハウジング５における短軸Ｚ方向の一端面（図２では左側面）に連通するように開口しており、この排気ポート１０には排気マニホールド２２が接続されている。この排気マニホールド２２は、吸気マニホールド２１よりも下方に配設されるとともに、ロータハウジング３外方に延設されて後述する図３の左方向に延び、図示しない排気管に接続されて排気ポート１０から排気された燃焼ガスを外部に排気する排気流路を形成している。

ここで、例えば、エンジン１の低回転域では、第１吸気ポート１１のみから吸気され、吸気量が不足するようになると第２吸気ポート１２からも吸気され（中回転域）、さらに吸気量が不足するようになると第３吸気ポート１３からも吸気されて（高回転域）、吸気量が変化しても最適な吸気流速を維持して、エンジン１の低負荷低回転から高負荷高回転までの全運転領域にわたって効率良く吸気できるようになっている。

図３は、本発明の燃料噴射装置を適用したロータリピストンエンジン１の構成を一部省略して示す図２におけるＡ矢視図である。図３において仮想線で描いた円で囲った部分は、インジェクタ１５の取付構造を見やすく示すために一部断面図としたものである。

図２及び図３に示すように、前記インジェクタ１５は、吸気マニホールド２１と排気マニホールド２２との間で且つ吸気ポート１１よりもトレーリング側に配設されている。このインジェクタ１５は、取付ブラケット２４によりロータハウジング３の左側面に取付固定されている。

また、前記インジェクタ１５の周囲は、吸気マニホールド２１に一体に形成された遮蔽部材２３で覆われている。このように、インジェクタ１５の周囲を遮蔽部材２３で覆うことで、インジェクタ１５の下方に高温の燃料ガスが流通する排気マニホールド２２が配設されていたとしても、排気マニホールド２２から放射される放射熱が遮蔽部材２３で断熱され、インジェクタ１５が熱の影響を受けることを抑制できて信頼性を確保することができる。

前記インジェクタ１５の噴射口は、吸気ポート１１を指向して燃料を噴射するように形成されている。具体的に、このインジェクタ１５の先端部には、燃料を噴射する複数の噴孔（図示せず）が形成されたマルチホール型の噴射口が設けられており、燃料を広範囲に噴射可能な広角タイプに形成されている。ここで、各噴孔は、それぞれ噴孔径（断面積）やその長さ、角度の設定によって噴霧量やその噴霧方向を調整できるようになっており、最適な燃料の噴射が行えるように、これら噴孔の噴射方向及び噴射位置に工夫が凝らされている。

なお、このようなマルチホール型のインジェクタ１５の他にも、電圧をかけると伸張するピエゾ素子をバルブ制御に用いて応答性を高くしたピエゾインジェクタを使用することで、噴射期間を短くして噴霧粒子をさらに微粒化するようにしてもよい。

このように、前記インジェクタ１５を吸気ポート１１よりもトレーリング側に配設し、吸気ポート１１を指向して燃料を噴射すれば、燃料噴射タイミングを可及的に早期化できる。すなわち、吸気作動室８が拡がっていくタイミングで燃料噴射を行うことで、噴射した燃料を気化、霧化させる時間をできる限り長く確保して、吸気作動室８内に均一に拡散させることができ、優れた燃焼性能を発揮するロータリピストンエンジン１を実現することができる。また、吸気ポート１１を指向して燃料を噴射することで、吸気の運動エネルギーを効率良く利用して、燃料の拡散を促進できる。

ここで、前記インジェクタ１５の先端部は、略水平又は後端部よりも下方に位置するように傾斜して配設されている。このようにすれば、噴射した燃料がインジェクタ１５の噴射口に溜まることなく下方に流れ落ちるようになり、高温のダイリューションガスにより燃料が燃焼して生成されるカーボンデポジットが噴射口周りに付着してしまうことを抑制できる。

また、前記インジェクタ１５は、吸気マニホールド２１と排気マニホールド２２との間で両マニホールド２１，２２よりも延設方向の内側に配設されている。インジェクタ１５をこのように配設すれば、吸気マニホールド２１と排気マニホールド２２とを車両側面方向に延設させたときに、車両の側面衝突時に吸気マニホールド２１と排気マニホールド２２とで外部からの衝撃を緩和できてインジェクタ１５を保護することができ、安全性を確保することができる。

さらに、本実施形態では、吸気ポート１１を指向してインジェクタ１５から噴射された燃料のペネトレーションを、噴射口から吸気作動室８における噴射方向に対向するトロコイド内周面３ａまでの距離よりも短く設定している。このようにすれば、ロータハウジング３のトロコイド内周面３ａへの燃料付着を抑制でき、燃料の均一拡散を安定して実現することができる。

また、このロータリピストンエンジン１には、アペックスシール１６や図示しないサイドシール等によるガスシール部に対して、潤滑のためのオイル（エンジンオイル）を直接、供給する潤滑装置（図示せず）が設けられており、潤滑装置から送り出されたオイルが、ロータハウジング３のトロコイド内周面３ａに臨むオイル供給弁２５から吸気作動室８内に供給されるようになっている。

前記オイル供給弁２５は、インジェクタ１５よりもリーディング側で、且つロータハウジング３においてロータ幅方向（エンジン前後方向）の両側寄りと、ロータ幅方向の略中央とに各々配置されている。

（燃料噴射時期について）
次に、インジェクタ１５から噴射した燃料を効率良く拡散させるための、インジェクタ１５の燃料噴射時期について説明する。具体的には、吸気による燃料の拡散性が最適となるように、燃料噴射時期が、吸気行程前半の吸気流速が所定値以上となる期間内に設定されている。換言すれば、吸気作動室８が、エキセン角で下死点後−１５０°（−１５０°ＡＢＤＣ（After Bottom Dead Center））となるタイミングを中心とした期間内に、燃料噴射時期が設定されている。

なお、ここでいうエキセン角とは、図２に仮想線で示すように、ロータ２の頂部が下端に位置し、吸気作動室８の容積が最大になる状態（下死点：ＢＤＣ）を基準（０°ＡＢＤＣ）とし、これに対するエキセントリックシャフト６の回転方向側への回転角であり、実線で示すように、ロータ２が逆方向に約８０°戻った状態が−１５０°ＡＢＤＣに相当している。

吸気行程における−２１０°〜−６０°ＡＢＤＣの範囲で、吸気作動室８内での吸気の運動エネルギーを比較した結果を図４のグラフに示す。このグラフに示すように、−１５０°ＡＢＤＣをピークに吸気の運動エネルギーが大きくて、吸気流速も大きく、激しい吸気流の流動が形成されていることが分かる。従って、吸気行程前半の−１５０°ＡＢＤＣを中心にして、−１７０°〜−１３０°ＡＢＤＣの範囲、さらに好ましくは−１６０°〜−１４０°ＡＢＤＣの期間内で燃料を噴射すれば、効率よく燃料を拡散させることができる。

このようにすれば、吸気の運動エネルギーを効率良く利用して、燃料の拡散を促進できる。さらに、吸気作動室８が拡がっていくタイミングでの燃料噴射が可能となり、ロータハウジング３の内周面への燃料付着を抑制でき、燃料の均一拡散を安定して実現することができる。

なお、この燃料噴射時期は、排気行程で生じたダイリューションガスを利用して燃料の気化、霧化を促進させるように設定してもよい。すなわち、吸気ポート１１から吸気された空気で吸気作動室８内の温度が低下する前に、インジェクタ１５により燃料を噴射するようにすれば、排気側の作動室８から吸気作動室８へ流入するダイリューションガスの熱により、噴射された燃料は瞬時に気化、霧化されることとなり、作動室８内に均一な混合気を形成する上で有利となる。

以上説明したように、ロータリピストンエンジンに本発明の燃料供給装置を適用すれば、インジェクタ１５を吸気ポート１１よりもトレーリング側に配設し、吸気ポート１１を指向して燃料を噴射するようにしたから、燃料噴射タイミングを可及的に早期化できる。すなわち、吸気作動室８が拡がっていくタイミングで燃料噴射を行うことで、噴射した燃料を気化、霧化させる時間をできる限り長く確保して、作動室８内に均一に拡散させることができ、優れた燃焼性能を発揮するロータリピストンエンジンを実現することができる。また、吸気ポート１１を指向して燃料を噴射することで、吸気の運動エネルギーを効率良く利用して、燃料の拡散を促進できる。

なお、本発明の構成は、前記実施形態のものに限定されることはなく、その他の種々の構成を包含する。すなわち、前記実施形態では、２ロータタイプのエンジン１を示したが、これに限るものではない。また、吸気ポートの数も３つに限られず、２つであってもよい。

以上説明したように、本発明は、燃料噴射タイミングを可及的に早期化して燃料の微粒化及び気化、霧化を促進することができるロータリピストンエンジンの燃料噴射装置を提供することができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。

本発明の実施形態に係るロータリピストンエンジンの概要を示す斜視図である。 同エンジンの要部の示す、一部を簡略化した断面図である。 同エンジンの構成を示す図２におけるＡ矢視図である。 吸気作動室内の温度と燃料の噴射タイミングとの関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１ ロータリピストンエンジン
３ ロータハウジング
３ａ トロコイド内周面
８ 作動室（吸気作動室）
１０ 排気ポート
１１ 吸気ポート
１５ インジェクタ（燃料噴射弁）
２１ 吸気マニホールド
２２ 排気マニホールド
２３ 遮蔽部材

Claims (5)

1. 吸気行程にある作動室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えたロータリピストンエンジンの燃料噴射装置であって、
   前記燃料噴射弁は、前記作動室に面して開口する吸気ポートよりもトレーリング側に配設され、
   前記燃料噴射弁の噴射口は、前記吸気ポートを指向して燃料を噴射するように形成されていることを特徴とするロータリピストンエンジンの燃料噴射装置。
2. 請求項１において、
   前記吸気ポートを指向して噴射された燃料のペネトレーションが、前記燃料噴射弁の噴射口から前記作動室における噴射方向に対向する内周面までの距離よりも短く設定されていることを特徴とするロータリピストンエンジンの燃料噴射装置。
3. 請求項１において、
   前記吸気ポートに接続され、ロータハウジング外方に延設された吸気マニホールドを備え、
   前記燃料噴射弁は、前記吸気マニホールドの下方に配設されるとともに、その周囲が遮蔽部材で覆われていることを特徴とするロータリピストンエンジンの燃料噴射装置。
4. 請求項１において、
   前記燃料噴射弁の先端部は、略水平又は後端部よりも下方に位置するように傾斜して配設されていることを特徴とするロータリピストンエンジンの燃料噴射装置。
5. 請求項１において、
   前記吸気ポートに接続され、ロータハウジング外方に延設された吸気マニホールドと、
   前記排気ポートに接続され、前記吸気マニホールドの下方に配設されるとともに前記ロータハウジング外方に延設された排気マニホールドとを備え、
   前記燃料噴射弁は、前記吸気マニホールドと前記排気マニホールドとの間で且つ両マニホールドよりも延設方向の内側に配設されていることを特徴とするロータリピストンエンジンの燃料噴射装置。

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