JP2009275671A - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁により少なくとも吸気下死点近傍において噴射される燃料によって効果的にタンブル流を強めることができる筒内噴射式火花点火内燃機関を提供する。
【解決手段】気筒上部略中心に配置されて均質燃焼時に少なくとも吸気下死点近傍において気筒内の排気弁側へ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁１を具備し、側面視における燃料噴射弁の噴孔中心を通り気筒中心軸線と平行な軸線Ｘに対する燃料の噴射角度ＴＨ１と側面視における同じ軸線Ｘに対する吸気ポート角度ＴＨ２との比を規定してタンブル流を効果的に強める。
【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。

気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を圧縮行程末期の点火時期において着火燃焼させる均質燃焼に際して、吸気行程において気筒内に形成されたタンブル流を圧縮行程後半まで持続させることができれば、その後、タンブル流はピストンにより押し潰されて点火時期において気筒内に乱れを存在させることができ、この乱れにより均質混合気の燃焼速度が高められて良好な均質燃焼を実現することができる。

しかしながら、一般的に吸気行程において気筒内に形成されるタンブル流はそれほど強いものではなく、圧縮行程後半においてピストンにより押し潰されることなく、圧縮行程前半には消滅してしまう。

燃料噴射弁を気筒上部略中心に配置して、シリンダボアの排気弁側下部へ向けて燃料を噴射すれば、噴射燃料によりタンブル流を強めることができる。しかしながら、単にシリンダボアの排気弁側下部へ向けて燃料を噴射しても、圧縮行程後半においてピストンにより押し潰されるまでタンブル流が持続するように効果的にタンブル流を強めることはできない。

気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁の燃料噴射角度と吸気ポートの傾斜角度とを規定することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−２１０４７２ 特開平９−２０９７６２ 特開平１０−２２０２２９

前述の筒内噴射式火花点火内燃機関は、圧縮行程後半において噴射される燃料によりピストン頂面に形成されたキャビティを利用して成層燃焼を実施する場合において効果的な燃料噴射角度と吸気ポートの傾斜角度とを規定するものであり、このように燃料噴射角度と吸気ポートの傾斜角度とが規定されても、均質燃焼時のタンブル流を効果的に強めることはできない。

従って、本発明の目的は、気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁により少なくとも吸気下死点近傍において噴射される燃料によって効果的にタンブル流を強めることができる筒内噴射式火花点火内燃機関を提供することである。

本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、気筒上部略中心に配置されて均質燃焼時に少なくとも吸気下死点近傍において気筒内の排気弁側へ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、側面視における前記燃料噴射弁の噴孔中心を通り気筒中心軸線と平行な軸線に対する前記燃料の噴射角度と側面視における前記軸線に対する吸気ポート角度との比を規定してタンブル流を効果的に強めることを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記比は、０．３以上０．５５以下の範囲に規定されることを特徴とする。

本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記比は、ミリメートル単位のシリンダボア径Ｂに対して０．４５＋(Ｂ−８６）＊０．０００５＋−０．０５の範囲に規定されることを特徴とする。

本発明による請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記比は、ミリメートル単位のストローク長Ｓとミリメートル単位のシリンダボア径Ｂとの比Ｓ／Ｂに対して０．８−Ｓ／Ｂ＊０．３２＋−０．０５の範囲に規定されることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、気筒上部略中心に配置されて均質燃焼時に少なくとも吸気下死点近傍において気筒内の排気弁側へ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、側面視における燃料噴射弁の噴孔中心を通り気筒中心軸線と平行な軸線に対する燃料の噴射角度と側面視における同じ軸線に対する吸気ポート角度との比に応じて噴射燃料によりタンブル流を強める程度が変化することが判明したために、この比を規定してタンブル流を効果的に強めるようになっている。

本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、側面視における気筒軸線に対する燃料の噴射角度と側面視における気筒軸線に対する吸気ポート角度との比は、実験的に得られたタンブル流を効果的に強めることができる０．３以上０．５５以下の範囲に規定されるようになっている。

本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、側面視における気筒軸線に対する燃料の噴射角度と側面視における気筒軸線に対する吸気ポート角度との比は、実験的に得られたタンブル流を効果的に強めることができるミリメートル単位のシリンダボア径Ｂに対して０．４５＋(Ｂ−８６）＊０．０００５＋−０．０５の範囲に規定されるようになっている。

本発明による請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、側面視における気筒軸線に対する燃料の噴射角度と側面視における気筒軸線に対する吸気ポート角度との比は、実験的に得られたタンブル流を効果的に強めることができるミリメートル単位のストローク長Ｓとミリメートル単位のシリンダボア径Ｂとの比Ｓ／Ｂに対して０．８−Ｓ／Ｂ＊０．３２＋−０．０５の範囲に規定されるようになっている。

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。同図において、１は気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁であり、２は燃料噴射弁１の排気ポート側近傍に配置された点火プラグである。３は一対の吸気弁４を介して気筒内へ通じる吸気ポートであり、５は一対の排気弁６を介して気筒内へ通じる排気ポートである。７はピストンである。本実施形態において、燃料噴射弁１の中心軸線と気筒中心軸線とが一致しているが、これは本発明を限定するものではない。図１における軸線Ｘは、燃料噴射弁１の噴孔中心を通り気筒中心軸線と平行な軸線である。

本筒内噴射式火花点火内燃機関は、燃料噴射弁１により吸気下死点近傍において気筒内の排気弁側に向けて燃料Ｆを噴射することにより、吸気行程において吸気ポート４から気筒内へ供給される吸気によってシリンダボアの排気弁側に沿って下降してシリンダボアの吸気弁側に沿って上昇するように気筒内に形成されたタンブル流Ｔを噴射燃料Ｆの貫徹力によって強めることを意図している。ピストン７の頂面には、タンブル流Ｔの減衰を抑制するための部分円弧断面形状のキャビティ７ａが形成されている。

こうして噴射燃料Ｆによってタンブル流Ｔを十分に強めることができれば、タンブル流Ｔは圧縮行程後半まで確実に持続してピストンにより押し潰され、それにより、点火時期において気筒内に乱れを存在させることができ、この乱れにより均質混合気の燃焼速度が高められて良好な均質燃焼を実現することができる。

しかしながら、単に気筒内の排気弁側へ向けて燃料を噴射してもタンブル流Ｔを効果的に強めることはできず、図１に示すエンジン前後方向に対し垂直な鉛直断面（吸排気二弁式の場合には二つの吸気弁の中間と二つの排気弁の中間とを通る垂直断面と平行な側面視である）において、前述の軸線Ｘに対する燃料の噴射角度ＴＨ１と、軸線Ｘに対する吸気ポート４の傾斜角度（吸気ポート角度）ＴＨ２との比（ＴＨ１／ＴＨ２）が、噴射燃料Ｆによりタンブル流Ｔを強める程度に大きく影響することが判ったのである。

ここで、側面視における吸気ポート４の傾斜角度ＴＨ２を示す軸線Ｙは、例えば、図２に示すように、シリンダヘッドの吸気ポート入口中心Ｃ１と、吸気ポートの気筒内出口側のドリル送り先端Ｃ２とを結ぶ線である。このドリル送りは、一般的に、ポート出口の成形のために加工されるものである。

図３は、前述の比（ＴＨ１／ＴＨ２）に対するタンブル強度を示す実験結果である。図３から、最大タンブル強度Ａに対する１割減（０．９Ａ）までをタンブル流Ｔが効果的に強められた範囲とすれば、前述の比（ＴＨ１／ＴＨ２）は０．３以上０．５５以下とすれば良いことが判る。

図３の実験結果は、シリンダボア径Ｂ及びピストンストロークＳを任意とした場合であり、すなわち、いずれのシリンダボア径Ｂ及びピストンストロークＳにおいても成り立つ前述の比の規定である。しかしながら、ミリメートル単位のシリンダボア径Ｂのそれぞれに対して最大タンブル強度が実現される前述の比（ＴＨ１／ＴＨ２）は存在し、これらの関係は図４に示すような線形となり、この関係式は、傾き０．０００５で次式（１）によって表される。
（ＴＨ１／ＴＨ２）＝０．４５＋（Ｂ−８６）＊０．０００５ （１）

それにより、前述の比（ＴＨ１／ＴＨ２）は、ミリメートル単位のシリンダボア径Ｂに対して、０．４５＋（Ｂ−８６）＊０．０００５＋−０．０５（最大タンブル強度を中心とする十分なタンブル強度範囲）の範囲に規定するようにしても良い。

また、ミリメートル単位のピストンストロークＳとミリメートル単位のシリンダボア径Ｂとの比（Ｓ／Ｂ）のそれぞれに対して最大タンブル強度が実現される前述の比（ＴＨ１／ＴＨ２）も存在し、これらの関係は図５に示すように線形となり、この関係式は、傾き−０．３２で次式（２）によって表される。
（ＴＨ１／ＴＨ２）＝０．８−（Ｓ／Ｂ）＊０．３２ （２）

それにより、前述の比（ＴＨ１／ＴＨ２）は、ピストンストロークＳとシリンダボア径Ｂとの比（Ｓ／Ｂ）に対して、０．８−（Ｓ／Ｂ）＊０．３２＋−０．０５（最大タンブル強度を中心とする十分なタンブル強度範囲）の範囲に規定するようにしても良い。

また、燃料噴射弁１から噴射される噴射燃料Ｆの形状は、任意に設定可能であり、例えば、単一噴孔から噴射される中実又は中空の円錐形状としても良い。また、スリット状噴孔から噴射される比較的厚さの薄い略扇形状としても良い。また、円弧状スリット噴孔や複数の直線スリット噴孔の組み合わせにより、上側及び排気弁側を凸とする比較的厚さの薄い円弧状断面形状又は折れ線状断面形状としても良い。又は、複数噴孔からそれぞれに噴射される柱状としても良い。いずれにしても、側面視の燃料Ｆの噴射角度を示す軸線は、側面視の噴射燃料Ｆの中心線となる。

本実施形態において、均質燃焼の空燃比は、理論空燃比よりリーンとして良く（好ましくは、ＮＯ_Xの生成量が抑制されるリーン空燃比とされる）、燃料消費を抑制することも可能である。燃焼が緩慢となり易いが、前述のようにして燃焼速度を速めることが特に有効である。もちろん、均質燃焼の空燃比は、理論空燃比又はリッチ空燃比としても良く、この場合においても燃焼速度を速めることは有効である。

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。 吸気ポートの傾斜角度を説明するための図である。 燃料の噴射角度と吸気ポートの傾斜角度との比とタンブル強度との関係を示す実験結果である。 最大タンブル強度が実現されるシリンダボア径と、燃料の噴射角度と吸気ポートの傾斜角度との比との関係を示す実験結果である。 最大タンブル強度が実現されるピストンストロークとシリンダボア径との比と、燃料の噴射角度と吸気ポートの傾斜角度との比との関係を示す実験結果である。

符号の説明

１ 燃料噴射弁
２ 点火プラグ
Ｔ タンブル流
Ｆ 噴射燃料

Claims (4)

1. 気筒上部略中心に配置されて均質燃焼時に少なくとも吸気下死点近傍において気筒内の排気弁側へ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、側面視における前記燃料噴射弁の噴孔中心を通り気筒中心軸線と平行な軸線に対する前記燃料の噴射角度と側面視における前記軸線に対する吸気ポート角度との比を規定してタンブル流を効果的に強めることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
2. 前記比は、０．３以上０．５５以下の範囲に規定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。
3. 前記比は、ミリメートル単位のシリンダボア径Ｂに対して０．４５＋(Ｂ−８６）＊０．０００５＋−０．０５の範囲に規定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。
4. 前記比は、ミリメートル単位のストローク長Ｓとミリメートル単位のシリンダボア径Ｂとの比Ｓ／Ｂに対して０．８−Ｓ／Ｂ＊０．３２＋−０．０５の範囲に規定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。

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