JP2009228581A - 筒内直接噴射火花点火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料の噴射でタンブル流がより強化されるようにして燃焼室内における混合気の均一分散化をより促進させる。
【解決手段】マルチホールインジェクタ１５が燃焼室５に直接燃料を噴射するように配設されている。燃焼室５内にタンブル流が生じるように、吸気口６から吸気が燃焼室５内に導入される。マルチホールインジェクタ１５は、２つの吸気口６，６の間から燃焼室５内に臨んでいて、少なくとも４つの側方噴射噴口２２からの噴霧２２ｆの中心線２２ｓのそれぞれが、互いに衝突しないように、気筒２の軸心Ｐを中心にして１３５度の範囲内で周壁５ｂの壁面と交差する。上方噴射噴口２１からの噴霧２１ｆは、点火プラグ１３に接触しないようになっている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、多噴口型の燃料噴射弁が燃焼室に直接燃料を噴射するように配設されている筒内直接噴射火花点火式内燃機関に関し、特に、混合気の分散化、均一化を向上させる技術に関する。

従来より、燃焼室に直接燃料を噴射する火花点火式内燃機関（直噴エンジンともいう）に、複数の噴口を有する多噴口型の燃料噴射弁（マルチホールインジェクタともいう）を備えたものがある。

例えば、特許文献１には、燃費改善等を目的として、点火プラグ付近にリッチ混合気を形成し、その周りにリーン混合気を形成して成層燃焼を行う直噴エンジンが開示されている。

そこでのマルチホールインジェクタは、上から順に第１列〜第４列の噴孔を備えていて、一つの噴孔からなる第１列は点火プラグを指向し、各々２つの噴孔からなる第２列〜第４列はそれぞれ点火プラグの斜め下方を指向している。また、平面視にて、第２列〜第４列の各々２つの噴孔の噴霧中心線のなす角度は下側の列ほど大きくなるように、各列の噴孔が配置されている。

従って、点火プラグを指向する第１列の噴孔の噴霧は第２〜第４列の噴孔の噴霧から干渉を受けずに、点火プラグ周辺の狭い空間にリッチ混合気塊を形成することができ、第２〜第４列の噴孔の噴霧はある程度互いに干渉しながら拡散して、リッチ混合気塊を囲む大きなリーン混合気塊を形成することができるようになっている。かかる成層燃焼においては、通常、安定した成層化を実現するために、圧縮行程における圧縮上死点近傍にて燃料噴射が行われる。
特開２００７−２７８２３３号公報

ところで、このような成層燃焼とは別に、燃焼室全体に概ね均一な混合気を分散させた上で燃焼させる均一燃焼を行う場合がある。

その場合には、一般に、燃焼室に吸気を導入する吸気行程において燃料を噴射し、その際に発生する燃焼室内の吸気の流動を利用して燃焼室全体に均一に分散された混合気が形成されるようにしている。中でも、吸気側から排気側に向かって縦方向に渦巻く比較的強い吸気の流動（タンブル流という）が効果的に活用されている。

しかしながら、先の特許文献１のマルチホールインジェクタのように、比較的広角に燃料を噴射すると、噴射の勢いが分散してしまうし、気筒の周壁に燃料の液滴が付着し易くなって、混合気を均一に分散させる効率が損なわれるおそれがある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料の噴射により、タンブル流をより強化できるようにして燃焼室内における混合気の均一分散化をより促進させることにある。

上記目的を達成するために、本発明では、実験から得られた知見に基づいて複数の噴口を配置し、タンブル流が燃料噴射によって更に強化されるようにした。

具体的には、先端部に複数の噴口を有する燃料噴射弁が気筒内の燃焼室に直接燃料を噴射するように配設されている筒内直接噴射火花点火式内燃機関であって、上記燃焼室の天井壁には、各々吸気弁によって開閉される２つの吸気口が設けられ、燃焼室内の上方を吸気側から排気側に向かう吸気の流動が生じるように、上記吸気口から吸気が燃焼室内に導入されるようになっている。そして、上記燃料噴射弁の先端部は、上記天井壁の周縁部における隣り合った２つの吸気口の間から燃焼室内に臨んでいて、上記複数の噴口のうち、少なくとも４つの噴口は、燃焼室の周壁の排気側の部位を指向する側方噴射噴口とされ、上記側方噴射噴口からの噴霧の中心線が、いずれも上記気筒の軸心方向から見て、この軸心を中心とする１３５度の範囲内で上記周壁の壁面と交差するようになっている。

この構成によれば、まず、燃焼室の天井壁において、各々吸気弁によって開閉される２つの吸気口が設けられ、これら吸気口から燃焼室内の上方を吸気側から排気側に向かう吸気の流動が生じるように吸気が燃焼室に導入される。

従って、吸気弁が開かれて燃焼室に吸気が導入される吸気行程では、燃焼室内を吸気側から排気側に縦方向に渦巻く、所謂タンブル流が形成される。

そして、複数の噴口が設けられている燃料噴射弁の先端部は、天井壁の周縁部における隣り合った２つの吸気口の間から燃焼室内に臨んでいて、少なくとも４つの側方噴射噴口からの噴霧の中心線が、いずれも気筒の軸心方向から見て、その軸心を中心とする１３５度の範囲内で周壁と交差するようになる。

従って、排気側に向かって噴射されるこれら側方噴射噴口の噴霧の流動は、燃焼室内に形成されるタンブル流の流動方向に向いているので、その噴射の勢いが吸気のタンブル流に加わって混合気の均一分散化が促進される。また、噴霧が直ぐに気筒の周壁に衝突して液滴が付着するようなこともない。

更に、噴射された噴霧が互いに衝突しないように、上記複数の噴口を配設するのが好ましい。そうすれば、異なる噴口からの噴霧中に含まれる燃料液滴どうしがぶつかって一体化し、燃料液滴が大きくなって気化し難くなることを回避できるので、混合気の分散均一化を促進することができる。

特に、上記燃焼室の天井壁の略中央部に点火プラグが配置されている場合には、上記複数の噴口の中で最も上向きに噴射する上方噴射噴口の噴霧が、上記点火プラグに接触しないようにしておくとよい。そうすれば、燃料液滴が点火プラグの電極に付着して、燃焼時にくすぶるのをうまく回避できる。

具体的には、上記上方噴射噴口の噴霧の中心線が、この上方噴射噴口を含み気筒の軸線に垂直な面よりも下向きに延びているようにすればよい。上方噴射噴口からの噴霧の流動もタンブル流の流動方向に向くため、更にタンブル流を強化して混合気の均一分散化を促進することができる。

以上説明したように、本発明によれば燃料の噴射によってタンブル流をより強化することができるため、燃焼室内における混合気の均一分散化をより促進させることができ、燃費や出力の向上、燃焼不良の改善等の効果を得ることができる。

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。尚、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。

（全体構成）
図１は、本発明の直噴エンジン１の概略図を示している。この直噴エンジン１は、シリンダブロック１ａと、このシリンダブロック１ａ上に配置されるシリンダヘッド１ｂとを備えている。これらシリンダブロック１ａとシリンダヘッド１ｂの内部には、４つの気筒２，２，２，２が配設されていて、各気筒２内にはピストン３が上下方向に往復動可能に嵌挿されている。これらピストン３，３，・・は、シリンダブロック１ａの下方に回転自在に支持されたクランク軸４とコネクティングロッドを介して連結されていて、クランク軸４が延びる方向に直列状に並んでいる（図１では１つの気筒２に関する構成のみ開示）。

そして、図２に詳しく示すように、これら各気筒２内の上部に燃焼室５が形成されるようになっていて、その燃焼室５は、上面がシリンダヘッド１ｂに設けられた天井壁５ａによって区画され、側面がシリンダヘッド１ｂ乃至シリンダブロック１ａに設けられた周壁５ｂによって区画され、下面がピストン３上部の頂面３ａによって区画されている。燃焼室５の天井壁５ａは２つの傾斜面からなる三角屋根形状をしていて、この燃焼室５は所謂ペントルーフ型となっている。

シリンダヘッド１ｂには、燃焼室５に吸気を導入する吸気ポート６と、燃焼室５から既燃ガスを排出する排気ポート７とがそれぞれ２つずつ形成されている。

これら２つの吸気ポート６，６は、各気筒２の天井壁５ａにおける傾斜面の一方に横並びに開口し、燃焼室５に臨む吸気口６ａを各々の一端に有している。一方、その各他端側は、燃焼室５から斜め上方に延びて、シリンダヘッド１ｂの一側面（図１中、右側面）に互いに独立して開口している。各吸気ポート６の吸気口６ａには、それぞれ所定のタイミングで開閉する吸気弁８が設けられている。

２つの排気ポート７，７は、各気筒２の天井壁５ａにおける傾斜面の他方に横並びに開口し、燃焼室５に臨む排気口７ａを各々の一端に有している。一方、その各他端側は、途中で１つに合流した後、略水平に延びてシリンダヘッド１ｂの他端面（図１中、左側面）に開口している。各排気ポート１１の排気口７ａには、それぞれ所定のタイミングで開閉する排気弁９が設けられている。

尚、この直噴エンジン１には、クランク軸４に対する吸気弁８側のカム軸の位相を所定の角度範囲において連続的に変化させる公知の可変動弁機構１０（ＶＶＴ１０ともいう）が備えられていて、吸気弁８の開閉タイミングはこのＶＶＴ１０によって制御されるようになっている。

シリンダヘッド１ｂの吸気側の側面には、各気筒２の吸気ポート６にそれぞれ連通する吸気通路１１が接続されていて、この吸気通路１１を介して燃焼室５に吸気が供給されるようになっている。一方、シリンダヘッド１ｂの排気側の側面には、各気筒２毎に分岐して排気ポート７に連通する排気マニホールド１２が接続されていて、燃焼室５から既燃ガス（排気ガス）が排出されるようになっている。

燃焼サイクルにおける吸気行程においては、図２の仮想線で示すように、各吸気口６ａの吸気弁８が燃焼室５内に突出して吸気口６ａが開かれ、各吸気ポート６から燃焼室５内に吸気が導入される。その際、燃焼室５内には、その上方を吸気側から排気側に向かう比較的強い吸気の流動が生じて、同図の矢印線で示すような燃焼室５内を縦方向に渦巻く吸気の流動（タンブル流）が発生する。

このタンブル流を利用して燃料を均一に分散させ、燃焼室５全体に均一な混合気を形成するために、気筒の吸気行程で燃料が噴射される。燃料噴射の詳細については後述する。

シリンダヘッド１ｂの燃焼室５の上部には、気筒２の軸心Ｐに沿って延びるように点火プラグ１３が配設されていて、電極が設けられた点火プラグ１３の先端部１３ａは、４つの吸排気口６ａ，７ａ，・・に囲まれた天井壁５ａの略中心から燃焼室５内に所定距離だけ下方に突出している。一方、点火プラグ１３の基端部には点火回路１４（図１にのみ示す）が接続されており、各気筒２毎に所定のタイミングで点火プラグ１３に通電するようになっている。

シリンダヘッド１ｂの吸気側の側部には、２つの隣り合う吸気ポート６，６の下方を延びるようにマルチホールインジェクタ１５が配設されている。その先端部１５ａは、シリンダヘッド１ｂの天井壁５ａの周縁部における隣り合った２つの吸気口６ａ，６ａの間から燃焼室５内に臨んでおり、その基端部は、各気筒２に共通の燃料分配管１６（図１にのみ示す）に接続されている。

この燃料分配管１６は、図示しない高圧燃料ポンプや高圧レギュレータを有する燃料供給系に接続されていて、燃料タンクから吸い上げられて適正な圧力状態に調節された高圧の燃料が、この燃料供給系から各気筒２に分配供給され、各気筒２のマルチホールインジェクタ１５から噴射されるようになっている。

これらマルチホールインジェクタ１５の燃料の噴射タイミングや噴射圧力、点火プラグ１３の点火タイミング、吸気弁８及び排気弁９の開閉タイミングなどは、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１７によって制御されている。

（要部構成）
次に、本発明の特徴であるマルチホールインジェクタ１５による燃料噴射の詳細について説明する。

図３に示すように、このマルチホールインジェクタ１５の先端部１５ａには、円錐状に燃料を噴霧する複数の噴口２１，２２，・・，２３（本実施形態では６つ）が備えられている。そして、図４の（ａ）に示すように、概ね燃焼室５内の排気側の空間を指向するように、これら噴口２１，２２，・・，２３の燃料噴射方向が設定されている。

具体的には、マルチホールインジェクタ１５の先端部１５ａの上側に位置する１つの噴口（上方噴射噴口）２１は、これら噴口２１，２２，・・，２３の中では最も上向きに噴射するように設定されている。この上方噴射噴口２１の下側を略水平方向に並ぶ一群（本実施形態では４つ）の噴口（側方噴射噴口）２２，２２，・・は、それぞれ、上方噴射噴口２１よりも所定の角度下向きに噴射するように、詳しくは、周壁５ｂの、マルチホールインジェクタ１５の先端部１５ａが対向している排気側の部位近傍を指向するように設定されている。この一群の側方噴射噴口２２，２２，・・の下側に位置する一つの噴口（下方噴射噴口）２３は、これら噴口２１，２２，・・，２３の中では最も下向きに噴射するように、詳しくは、ピストン３の頂面３ａのキャビティが形成された部位近傍を指向するように設定されている。

上方噴射噴口２１及び下方噴射噴口２３はマルチホールインジェクタ１５の先端部１５ａの中心を通る縦軸Ｔ上に配置され、側方噴射噴口２２，２２，・・はこの縦軸Ｔに対して左右対称状にそれぞれ配置されている。

そして、上方噴射噴口２１から噴射されて形成される噴霧２１ｆ（上方噴霧２１ｆともいう）は、図４の（ａ）に示すように、点火プラグ１３の先端部１３ａに接触しないように、詳しくは、この上方噴射噴口２１から下向きに延びるように、換言すれば上方噴霧２１ｆの中心線２１ｓが、上方噴射噴口２１を含み、気筒２の軸心Ｐと垂直な面Ｍよりも下側の方向に向かって延びるように構成されている。より詳しくは、その中心線２１ｓ及び気筒２の軸心線Ｐに直交する方向から見て、上方噴射噴口２１を通る、気筒２の軸心Ｐの垂線Ｌと、上方噴霧２１ｆの中心線２１ｓとのなす角度θ１が１０°〜１４°の範囲内にある。

従って、このマルチホールインジェクタ１５から噴射される燃料液滴が点火プラグの電極に付着し難くなるため、燃焼時にくすぶるのをうまく回避することができる。また、上方噴霧２１ｆの流動は吸気のタンブル流の流動方向に向くこととなるため、タンブル流が強化されて混合気の均一分散化が促進される。

各側方噴射噴口２２もまた、これらの噴霧２２ｆ（側方噴霧２２ｆともいう）によってタンブル流が強化されるように、効率よく分散配置されている。

まず、上方噴射噴口２１の下側に位置する２つの側方噴射噴口２２，２２（内側噴口２２ａともいう）は、図５に示すように、これらの噴霧２２ｆ，２２ｆ（内側噴霧２２ａｆともいう）が上方噴霧２１ｆと燃焼室５内の空間において互いに衝突しないように近接配置されている。尚、図５中、符号Ｚ１で示す破線の領域は点火プラグ１３の先端部１３ａが存在するプラグ領域である。

そして、これら内側噴霧２２ａｆ，２２ａｆと、その両側にそれぞれ一つづつ位置する側方噴射噴口２２，２２（外側噴口２２ｂともいう）の各噴霧２２ｆ，２２ｆ（外側噴霧２２ｂｆともいう）の通過領域の上側には、吸気弁８が昇降する２つのリフト領域Ｚ２，Ｚ２が存在する。そのため、吸気弁８が最も下降する最大リフト位置において、各噴霧２２ｆ，２２ｆが吸気弁８に接触しないように構成されている。

詳しくは、図４の（ａ）に示すように、側方噴霧２２ｆの各中心線２２ｓ及び気筒２の軸心線Ｐに直交する方向から見て、各側方噴射噴口２２を通る、気筒２の軸心Ｐの垂線Ｌと、各中心線２２ｓとのなす角度θ２，θ２’が２５°〜４０°の範囲内にある。

その上で、各側方噴霧２２ｆは、燃焼室５内の空間において互いに衝突しないように近接配置されている。詳しくは、図４の（ｂ）に示すように、側方噴霧２２ｆの中心線２２ｓのそれぞれが、気筒２の軸心Ｐが延びる方向から見て、所定の側方噴霧角度θ３内、詳しくは、気筒２の軸心Ｐを中心にして、左右対称状に１３５度の範囲内で周壁５ｂの壁面と交差するようにしてある。ちなみに、本実施形態では、周方向の最も外側に位置する両側の外側噴霧２２ｂｆ，２２ｂｆの中心線２２ｂｓ，２２ｂｓによる上記側方噴霧角度θ３は１３２度となっている。

そうすると、これら一群の側方噴霧２２ｆ，２２ｆ，・・は、全体的に燃料液滴が分散しながら、吸気のタンブル流の流動方向に噴射されることとなるため、タンブル流が強化されて混合気の均一分散化が促進される。

また、これら上方噴霧２１ｆ及び側方噴霧２２ｆは、周側壁５ｂの壁面に至る前にタンブル流による吸気の流動層に遮られることから、燃料液滴が周側壁５ｂの壁面に付着し難いという利点もある。

下方噴射噴口２３からの噴霧２３ｆもまた、その上側の側方噴霧２２ｆと燃焼室５内の空間において互いに衝突しないように配置されている。

上記側方噴霧角度θ３等、各噴射噴口２１，２２，２３から噴射される燃料の噴霧状態は、いずれも燃焼室５内に吸気の流動がないと仮定した場合におけるものであり、燃焼室５の内圧や噴射圧等は使用状態に基づく。ちなみに、各噴口２１，２２，２３から噴射される噴霧２１ｆ，２２ｆ，２３ｆの噴霧角は、いずれも１０°〜１５°に設定されていて（本実施形態では約１２°）、噴射される燃料の少なくとも９０％以上がその範囲内に含まれるようになっている。尚、噴霧角等の計測方法としては、例えばレーザーシート法がある。

（噴射実験結果）
次に、かかる燃料噴射の設定を見い出す過程で行った燃料の噴射実験結果の一例を図６に示す。

この実験は、上記実施形態のマルチホールインジェクタ１５による燃料噴射（実施例）と、側方噴射噴口２２の側方噴霧角度θ３を１３５度よりも大きくした比較例とについて、燃料噴射終了時期別に、トルクとＨＣの排出量とに関して比較したものである。側方噴霧角度θ３以外の条件は実施例と比較例とで同一に設定されている。図中、実線が実施例、破線が比較例であり、（ａ）はトルクとの関係を、（ｂ）はＨＣの排出量との関係を示している。

その結果、同図の（ａ）に示すように、実施例の方が比較例よりも大きなトルクが得られる傾向が認められ、また、（ｂ）に示すように、実施例の方が比較例よりもＨＣの排出量が減少する傾向が認められた。

また、図示はしないが、実施例ではノッキングの改善効果等が得られることも確認している。

以上説明したように、本発明によれば、燃料の噴射によってタンブル流が効果的に強化されて、燃焼室５内における混合気の均一分散化が促進されるため、燃費や出力の向上、燃焼不良の改善等の効果を得ることができる。

なお、本発明にかかる筒内直接噴射火花点火式内燃機関は、前記の実施の形態に限定されず、それ以外の種々の構成をも包含する。すなわち、マルチホールインジェクタ１５の噴口の数は６つに限らない。例えば、上方噴射噴口は２つ以上であってもよく、側方噴射噴口も４つ以上であってもよい。

本発明の筒内直接噴射火花点火式内燃機関の概略図である。 燃焼室の概略を示す縦断面図である。 マルチホールインジェクタの先端部を示す図である。 燃料噴射の状態を説明するための図である。（ａ）は側方から見た図であり、（ｂ）は上方から見た図である。 排気側から見た燃料噴射の状態を説明するための図である。 燃料の噴射実験結果を示す図である。（ａ）はトルクとの関係を、（ｂ）はＨＣ排出量との関係を示している。

符号の説明

１ 直噴エンジン（筒内直接噴射火花点火式内燃機関）
２ 気筒
３ ピストン
５ 燃焼室
５ａ 天井壁
５ｂ 周壁
６ 吸気ポート
６ａ 吸気口
７ 排気ポート
７ａ 排気口
８ 吸気弁
９ 排気弁
１３ 点火プラグ
１５ マルチホールインジェクタ（燃料噴射弁）
１５ａ 先端部
２１ 上方噴射噴口
２１ｆ 噴霧
２１ｓ 中心線
２２ 側方噴射噴口
２２ｆ 噴霧
２２ｓ 中心線
２３ 下方噴射噴口
Ｐ 気筒の軸心

Claims (4)

1. 先端部に複数の噴口を有する燃料噴射弁が気筒内の燃焼室に直接燃料を噴射するように配設されている筒内直接噴射火花点火式内燃機関であって、
   上記燃焼室の天井壁には、各々吸気弁によって開閉される２つの吸気口が設けられ、燃焼室内の上方を吸気側から排気側に向かう吸気の流動が生じるように、上記吸気口から吸気が燃焼室内に導入されるようになっていて、
   上記燃料噴射弁の先端部は、上記天井壁の周縁部における隣り合った２つの吸気口の間から燃焼室内に臨んでいて、
   上記複数の噴口のうち、少なくとも４つの噴口は、燃焼室の周壁の排気側の部位を指向する側方噴射噴口とされ、
   上記側方噴射噴口からの噴霧の中心線が、いずれも上記気筒の軸心方向から見て、この軸心を中心とする１３５度の範囲内で上記周壁の壁面と交差することを特徴とする筒内直接噴射火花点火式内燃機関。
2. 請求項１に記載の筒内直接噴射火花点火式内燃機関において、
   噴射された噴霧が互いに衝突しないように、上記複数の噴口が配設されていることを特徴とする筒内直接噴射火花点火式内燃機関。
3. 請求項１又は請求項２に記載の筒内直接噴射火花点火式内燃機関において、
   上記燃焼室の天井壁の略中央部に点火プラグが配置され、
   上記複数の噴口の中で最も上向きに噴射する上方噴射噴口の噴霧が、上記点火プラグに接触しないように構成されていることを特徴とする筒内直接噴射火花点火式内燃機関。
4. 請求項３に記載の筒内直接噴射火花点火式内燃機関において、
   上記上方噴射噴口の噴霧の中心線が、この上方噴射噴口を含み気筒の軸線に垂直な面よりも下向きに延びていることを特徴とする筒内直接噴射火花点火式内燃機関。

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