JP2010031724A - 筒内直接噴射式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】気筒内壁面に近い部分の気流を制御して、燃焼室中央部分を旋回するタンブル流の主流の旋回を強化する。
【解決手段】内燃機関の燃焼室内に流入した吸気が、燃焼室内で所定の旋回吸気流となるように、燃焼室内に吸気を流入させる、筒内直接噴射式内燃機関において、ピストンが下降し、かつ吸気弁が開いている場合には、気筒上部円周部の、吸気流入側から燃料を噴射するように配置した筒内噴射燃料弁から、気筒の両側内壁面に沿った方向に燃料を噴射し、気筒内壁面に沿った吸気流の流れ方向を、気筒中央部分を旋回するタンブル流の主流方向に誘導し、タンブル流の主流を強化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、筒内直接噴射式内燃機関に関する。

筒内直接噴射式内燃機関においては、燃料噴射弁の燃料噴霧流速によって、燃焼室内の旋回吸気流が強化されることが、従来から知られている。

燃焼室内の旋回吸気流が不十分な状態では、（１）噴射された燃料のミキシングが不十分で、未燃のＨＣ、ＣＯ等の増大を招き、燃費悪化の原因となる、また、（２）火炎伝播が弱く、始動時の冷間燃焼や希薄燃焼性能に劣る、更に、（３）燃焼速度が遅く、高負荷時にノッキングが発生する、等の問題が発生する。

そこで、筒内直接噴射式内燃機関において、燃料噴射弁の燃料噴霧流速によって、燃焼室内の旋回吸気流を強化する、様々な方法が提案されている。

特許文献１に記載の発明では、吸気行程時に、２つの燃料噴射弁から燃料を噴射し、気筒内のタンブル流、又はスワール流を強化する、燃料噴射制御装置が開示されている。特許文献２に記載の発明では、燃料噴射装置を、スワール方向に向けて貫徹力の強い噴霧燃料を噴射すると共に、反スワール方向に貫徹力が弱く且つ拡散し易い形状の噴霧燃料を噴射するように構成している。

一方、吸気流によって気筒内にタンブル流を生成し、又は、ピストンの上昇によって気筒内にタンブル流を生成する内燃機関においては、これらタンブル流のうち、気筒内壁面に近い部分に形成される気流が、燃焼室中央部分を旋回するタンブル流の主流の旋回を阻害することが知られている。

そこで、燃料噴射弁の燃料噴霧流速によって、タンブル流を阻害する気筒内壁面に近い部分の気流を誘導し、燃焼室中央部分を旋回するタンブル流の主流の旋回を強化するように構成すれば有利である。

特開２００３−３２２０２２号公報 特開２００６−１１８４６５号公報

本発明は、気筒内壁面に近い部分の気流を制御して、燃焼室中央部分を旋回するタンブル流の主流の旋回を強化することを目的としている。

請求項１に記載の発明によれば、内燃機関の燃焼室内に流入した吸気が、燃焼室内で所定の旋回吸気流となるように、燃焼室内に吸気を流入させる、筒内直接噴射式内燃機関において、シリンダヘッド側を上、ピストン側を下とした場合において、筒内噴射燃料弁を、気筒上部円周部の、吸気流入側から燃料を噴射するように配置し、噴射される燃料噴霧の上下広がり角を、噴霧上側を気筒上部円周部以下とし、噴霧下側をピストンに燃料が付着しない範囲とし、ピストンが下降し、かつ吸気弁が開いている場合には、筒内噴射燃料弁から、気筒の両側内壁面に沿った方向に燃料を噴射し、吸気流の、気筒内壁面に沿った流れの流れ方向を、気筒中央部分を旋回するタンブル流の主流方向に誘導し、タンブル流の主流を強化する、筒内直接噴射式内燃機関が提供される。

すなわち、請求項１の発明では、筒内直接噴射式内燃機関において、吸気行程でピストン下降時の吸気の流れにおいて、吸気ポートから気筒の中央部に流入する吸気の主流はタンブル成分が大きいが、主流の両側を流れる、気筒壁面に近い流れは、タンブル成分が小さく、更に、ピストン頂面付近で、主流と衝突する流れとなり、タンブル流を減衰させることから、気筒上部円周部であって、吸気流入側から燃料を噴射するように配置した筒内噴射燃料弁から、気筒の両側内壁面に沿う方向に燃料を噴射し、吸気流の、主流両側の流れの筒内流れを、主流の流れ方向に沿うように誘導して合流させ、タンブル流を強化させる。この場合、噴霧燃料の上下方向広がり角は、噴霧下側の燃料が、ピストンに付着しない範囲までとする。

請求項２に記載の発明によれば、ピストンが下死点近傍にある場合には、燃料噴射弁位置から、更に、気筒中心方向に向って燃料を噴射し、気筒中央部分を旋回するタンブル流の主流を強化する、請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関が提供される。

すなわち、請求項２の発明では、ピストンが下死点近傍にある場合に、請求項１の燃料噴射に加えて更にタンブル流の主流の方向に燃料噴射を行なう。下死点近傍においては、気筒中心方向への燃料噴射がタンブル流強化に有効であるため、気筒中心方向への燃料噴射を追加することにより、更にタンブル流を強化することができる。この燃料噴射弁は、請求項１に記載の燃料噴射弁と異なる燃料噴射弁を、請求項１に記載の燃料噴射弁とほぼ同一の位置に配置してもよく、また、請求項１に記載の燃料噴射弁に、気筒中心方向へ燃料噴射を行なう機能を備え、気筒の両側内壁面に沿った方向の燃料噴射と気筒中心方向への燃料噴射の両方を同時に行ったり、一方のみを行なうように切り換えたりできるように構成してもよい。

請求項３に記載の発明によれば、ピストンが上昇し、かつ吸気弁が開いている場合には、気筒の両側内壁面に沿った方向の燃料噴射を行なわず、気筒中心方向に向って燃料を噴射し、気筒中央部分を旋回するタンブル流の主流を強化する、請求項２に記載の筒内直接噴射式内燃機関が提供される。

すなわち、請求項３の発明では、ピストンが上昇し、かつ吸気弁が開いている場合には、タンブル流の主流の両側の、気筒内壁面近くの気流は、気流の主流の流れを阻害することがないため、この場合には、気筒の両側内壁面に沿った方向の燃料噴射を中断し、気筒中心方向に向う噴射のみとすることによりタンブル流を強化する。

請求項４に記載の発明によれば、ピストンが上昇し、かつ吸気弁が閉じている場合には、気筒の両側内壁面に沿った方向の燃料噴射を行ない、気筒内壁面に沿った気流の流れ方向を、気筒中央部分を旋回するタンブル流の主流方向に誘導し、タンブル流の主流を強化する、請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関が提供される。

すなわち、請求項４の発明では、ピストンが上昇し、かつ吸気弁が閉じている場合には、上昇するタンブル流の主流の両側の、気筒内壁面近くの気流は、気筒頂面付近では、主流と衝突する流れとなり、タンブル流を減衰させるため、筒内噴射燃料弁から、気筒の両側内壁面に沿った方向に燃料を噴射し、筒内気流の主流の両側流れの筒内流れを、主流の流れ方向に沿うように誘導して主流と合流させ、気筒中心方向に向う燃料噴射は中断して、タンブル流を強化させる。

請求項５に記載の発明によれば、ピストンの位置に合わせて、燃料噴霧の上下広がり角を変化させる、請求項１から４のいずれか１項に記載の筒内直接噴射式内燃機関が提供される。

すなわち、請求項５の発明では、燃料噴射弁の燃料噴霧の上下広がり角を可変とし、ピストンの上下方向位置に合わせて噴霧広がり角を変化させることができるようにする。このようにして、ピストンが気筒内のどの位置にあっても、ピストンへの燃料付着を防止することができる。

各請求項に記載の発明によれば、気筒内壁面に近い部分の気流を制御して、燃焼室中央部分を旋回するタンブル流の主流の旋回を強化するという共通の効果を奏する。

以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。なお、複数の添付図面において、同一又は相当する部材には、同一の符号を付している。

図３は、２つの吸気弁を有する筒内直接噴射式内燃機関において、吸気行程でピストン６の下降時の、従来の吸気の流れを示す。吸気ポート２から流入する吸気の主流１０１、すなわち吸気ポート２から気筒１の中央部に流入する吸気流１０１は、タンブル成分が大きいが、主流１０１の両側を流れる、気筒内壁面に近い流れ１０２、１０３は、タンブル成分が小さく、更に、両側の流れ１０２、１０３は、ピストン頂面付近では、主流１０１と衝突する流れとなり、タンブル流を減衰させる。

そこで本発明では、図１に示すように、気筒上部円周部であって吸気流入側に設けた筒内噴射燃料弁から、気筒の両側内壁面に向って燃料を噴射して、吸気流の、主流１０１の両側流れ１０２、１０３の筒内流れを誘導し、主流１０１の流れ方向に沿うように合流させ、タンブル流を強化する。この場合、シリンダヘッド側を上、ピストン側を下とした場合において、噴霧燃料の上下方向は、噴霧燃料下側が、ピストンにかからないようにすることが好ましい。

図２は、図１の燃料噴射の方向を、（ａ）平面図と、（ｂ）立面図で示したものである。

図４は、図１のピストン６が下死点近傍にある場合に、更にタンブル流の主流１０１の方向に燃料噴射を行なう燃料噴射の実施形態を示す。すなわち下死点近傍においては、気筒中心方向への燃料噴射がタンブル流強化に有効であるため、気筒中心方向への燃料噴射を追加することにより、更にタンブル流を強化することができる。この場合、燃料噴射弁は、図２に記載の燃料噴射弁７と異なる燃料噴射弁を、燃料噴射弁７とほぼ同一の位置に配置してもよく、また、燃料噴射弁７に、気筒中心方向へ燃料噴射を行なう機能を備え、気筒の両側内壁面に沿った方向の燃料噴射と気筒中心方向への燃料噴射の両方を同時に行ったり、一方のみを行なうように切り換えたりできるように構成してもよい。

図５は、ピストンが上昇し、かつ吸気弁が開いている時期の、筒内気流の流れを説明する図である。すなわち、タンブル流の主流の両側の、気筒内壁面近くの気流１０２、１０３は、ピストンが上昇し、かつ吸気弁が開いている場合には、気流の主流の流れを阻害することがない。従って、この場合には、気筒の両側内壁面に向う燃料噴射を中断し、気筒中心方向に向う噴射のみとすることにより、気筒中心方向に向う噴射を強化して、タンブル流を強化することが好ましい。

一方、ピストンが上昇し、かつ吸気弁が閉じている時期（図示せず）には、上昇するタンブル流の主流の両側の、気筒内壁面近くの気流１０２、１０３は、気筒頂面付近では、主流１０１と衝突する流れとなり、タンブル流を減衰させる。従って、この場合には、筒内噴射燃料弁から、気筒の両側内壁面に沿った方向に燃料を噴射して、筒内気流の主流１０１の両側流れ１０２、１０３の筒内流れを誘導し、主流１０１の流れ方向に沿うように合流させ、気筒中心方向に向う燃料噴射は中断して、タンブル流を強化させる。すなわち、この場合には、図１に示す燃料噴射とほぼ同様の燃料噴射を行なう。

図６は、図１において、噴射燃料の噴霧下側がピストンにかからないようにするための実施形態である。すなわち、燃料噴射弁の燃料噴霧の上下広がり角を可変とし、図６（ａ）、（ｂ）のように、ピストン６の上下方向位置に合わせて噴霧広がり角がＢ１からＢ２のように変化できるようにする。このようにすると、ピストンがどの位置にあっても、ピストンへの燃料付着を防止することができ、有利である。

本発明を筒内直接噴射式内燃機関に適用した場合の、実施形態の概略構成を説明する図である。 （ａ）は、図１の実施形態の平面図、（ｂ）は、図１の実施形態の立面図である。 筒内直接噴射式内燃機関において、吸気行程でピストンが下降する場合の、従来の吸気の流れを説明する図である。 本発明を筒内直接噴射式内燃機関に適用した場合の、他の実施形態の概略構成を説明する図である。 ピストンが上昇し、かつ吸気弁が開いている場合の、筒内気流の流れを説明する図である。 本発明を筒内直接噴射式内燃機関に適用した場合の、噴霧の上下方向広がり角の実施形態の概略構成を説明する図である。

符号の説明

１ 気筒
２ 吸気ポート
３ 排気ポート
４１ 吸気弁
４２ 吸気弁
５１ 排気弁
５２ 排気弁
６ ピストン
７ 燃料噴射弁
１０１ 気流の主流
１０２ 気筒内壁面近くを流れる気流
１０３ 気筒内壁面近くを流れる気流
Ａ ピストンの運動方向
Ｂ１ 燃料噴霧の上下方向の広がり角
Ｂ２ 燃料噴霧の上下方向の広がり角

Claims (5)

1. 内燃機関の燃焼室内に流入した吸気が、燃焼室内で所定の旋回吸気流となるように、燃焼室内に吸気を流入させる、筒内直接噴射式内燃機関において、
   シリンダヘッド側を上、ピストン側を下とした場合において、
   筒内噴射燃料弁を、気筒上部円周部の、吸気流入側から燃料を噴射するように配置し、
   噴射される燃料噴霧の上下広がり角を、噴霧上側を気筒上部円周部以下とし、噴霧下側をピストンに燃料が付着しない範囲とし、
   ピストンが下降し、かつ吸気弁が開いている場合には、
   前記筒内噴射燃料弁から、気筒の両側内壁面に沿った方向に燃料を噴射し、
   前記吸気流の、気筒内壁面に沿った流れの流れ方向を、気筒中央部分を旋回するタンブル流の主流方向に誘導し、前記タンブル流の主流を強化する、
   筒内直接噴射式内燃機関。
2. ピストンが下死点近傍にある場合には、
   前記燃料噴射弁位置から、更に、気筒中心方向に向って燃料を噴射し、気筒中央部分を旋回するタンブル流の主流を強化する、請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
3. ピストンが上昇し、かつ吸気弁が開いている場合には、
   気筒の両側内壁面に沿った方向の燃料噴射を行なわず、気筒中心方向に向って燃料を噴射し、気筒中央部分を旋回するタンブル流の主流を強化する、請求項２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
4. ピストンが上昇し、かつ吸気弁が閉じている場合には、
   気筒の両側内壁面に沿った方向の燃料噴射を行ない、気筒内壁面に沿った気流の流れ方向を、気筒中央部分を旋回するタンブル流の主流方向に誘導し、前記タンブル流の主流を強化する、請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
5. ピストンの位置に合わせて、燃料噴霧の前記上下広がり角を変化させる、請求項１から４のいずれか１項に記載の筒内直接噴射式内燃機関。

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