JP2524920Y2 - Direct injection internal combustion engine - Google Patents
Direct injection internal combustion engineInfo
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Description
【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は直接噴射式内燃機関に係り、特に燃焼室内に
直接燃料を噴射して濃混合気と希薄混合気との層を形成
し、燃焼させるようにした単室燃焼室タイプの直接噴射
式内燃機関に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to a direct injection type internal combustion engine, and in particular, directly injects fuel into a combustion chamber to form a layer of a rich mixture and a lean mixture, and performs combustion. The present invention relates to a single-chamber combustion chamber type direct injection internal combustion engine.
従来より直接噴射式内燃機関として、Ford−PROCO(F
ord Programmed Combustion)、Texaco−TCCS(Texaco
Controlled Combustion System)やMAN−FM等が知られ
ている。この直接噴射式内燃機関では、燃焼室を構成す
るようにピストン頂面に単一のキヤビテイが形成されて
おり、また燃焼室内に直接燃料を噴射するように燃料噴
射弁が配置されると共に、燃焼室内の可燃混合気に点火
するように点火栓が配置されている。この内燃機関によ
れば、一般的に、吸入行程時に空気のみを吸入し、吸入
した空気を圧縮してキヤビテイ内に保持し、この圧縮空
気内に直接燃料を噴射して火花点火することで燃焼が行
われ、また、燃料噴射量を制御することで負荷制御が行
われる。Conventionally, as a direct injection type internal combustion engine, Ford-PROCO (F
ord Programmed Combustion), Texaco-TCCS (Texaco
Controlled Combustion System) and MAN-FM are known. In this direct injection type internal combustion engine, a single cavity is formed on the top surface of a piston so as to form a combustion chamber, and a fuel injection valve is arranged so as to inject fuel directly into the combustion chamber. An ignition plug is arranged to ignite the combustible mixture in the room. According to this internal combustion engine, generally, only air is sucked in during the suction stroke, the sucked air is compressed and held in the cavity, and fuel is injected directly into the compressed air to ignite the combustion. Is performed, and load control is performed by controlling the fuel injection amount.
かかる直接噴射式内燃機関において、圧縮行程後期に
燃料噴射を終了するようにすれば、キヤビテイ内部に濃
混合気と希薄混合気との層が形成され、濃混合気に火花
点火することで成層燃焼が行われる。しかしながら、時
間的に濃混合気位置が変化することから安定した成層燃
焼を行わせるためには、経験的な知識に基づいて、スワ
ールやスキツシユによつて気流の制御を行つたり、燃料
噴射弁からの燃料噴射方向と点火栓の火花ギヤツプの相
対位置、燃料噴射時期および燃料噴射期間と点火時期と
の関係を決定する必要があり、広範囲な運転域で安定し
た成層燃焼を行わせかつエンジンパラメータの最適化を
図るのが非常に困難である、という問題があつた。In such a direct injection type internal combustion engine, if fuel injection is terminated in the latter stage of the compression stroke, a layer of a rich mixture and a lean mixture is formed inside the cavity, and stratified combustion is performed by spark ignition of the rich mixture. Is performed. However, in order to perform stable stratified combustion because the position of the rich mixture changes with time, based on empirical knowledge, the air flow is controlled by swirl or skiff, or the fuel injection valve is used. It is necessary to determine the relationship between the fuel injection direction from the engine and the relative position of the spark gap of the spark plug, the fuel injection timing, and the relationship between the fuel injection period and the ignition timing. There is a problem that it is very difficult to optimize the data.
また、安定した成層燃焼を行わせるためには、強力点
火装置または特殊点火装置が必要となり、これらの点火
装置の耐久性に困難な問題を残すと共に、高負荷時にす
すが排出され、低負荷時に未燃炭化水素の排出率が増大
する等の問題も残されている。In addition, in order to perform stable stratified combustion, a strong igniter or a special igniter is required, which leaves difficult problems in the durability of these igniters, and soot is discharged at a high load and discharged at a low load. Problems such as an increase in the unburned hydrocarbon emission rate remain.
その後、特公昭56−47371号公報、特公昭51−34045号
公報等に見られるように、スワールを利用しつつ濃混合
気を燃焼室の点火栓付近の一部に偏在させ、点火後スワ
ールによって希薄混合気と混合しつつ燃焼させる方法が
提案されている。これらの方法は、高負荷時(供給燃料
が多い時)にその効力を発揮するが、低負荷時(供給燃
料が少ない時)には、スワールの流速が強くなりすぎ燃
料の離散や着火後の空気との過剰混合による消炎などの
問題を残すものと考えられ、スワールの積極的な利用が
かえって逆効果となる。すなわち、圧縮工程後期の点火
前0〜80゜CA(クランク角)の範囲に燃料噴射する場合
には、まず点火栓付近での混合気の安定した保持が必要
で、高負荷時には燃料と空気の混合を促進し、かつ低負
荷時には余剰空気と分離して消炎を防止するような燃焼
法が望まれるところである。After that, as shown in JP-B-56-47371, JP-B-51-34045, etc., the rich mixture is unevenly distributed in a part of the vicinity of the ignition plug of the combustion chamber while using swirl, and the swirl is used after ignition. There has been proposed a method of burning while mixing with a lean air-fuel mixture. These methods are effective when the load is high (when the amount of supplied fuel is large), but when the load is low (when the amount of supplied fuel is small), the swirl flow rate becomes too high and the swirl flow becomes too large. Excessive mixing with air is thought to leave problems such as extinction, and active use of swirl has the opposite effect. That is, when fuel is injected in the range of 0 to 80 CA (crank angle) before ignition in the latter stage of the compression process, it is necessary to first stably maintain the air-fuel mixture near the spark plug. There is a need for a combustion method that promotes mixing and separates from excess air at low load to prevent quenching.
一方、上記の問題を解決するために、吸気行程時又は
圧縮行程初期に燃料を噴射して均一でかつ希薄化した混
合気を燃焼室内に形成して火花点火することも行われて
いるが、可燃限界空気過剰率の制限から吸気を絞らない
状態で、すなわち吸気絞り弁を用いないで燃料噴射量を
調節して負荷を変化させることが困難となり、吸気通路
に吸気絞り弁を配置して吸気絞りによつて負荷を制御す
る必要がある。このため、吸気絞りによるポンプ損失の
増大、NOx排出量の増大、ノツキングの発生等の問題が
生じる。On the other hand, in order to solve the above problem, it is also performed to inject fuel during the intake stroke or early in the compression stroke to form a uniform and lean mixture in the combustion chamber and perform spark ignition. It is difficult to change the load by adjusting the fuel injection amount without using the intake throttle valve due to the restriction of the flammable limit excess air ratio, that is, without using the intake throttle valve. It is necessary to control the load by restricting. For this reason, problems such as an increase in pump loss due to an intake throttle, an increase in NO x emission, and occurrence of knocking occur.
すなわち、従来の直接噴射式内燃機関では、すすおよ
び未燃炭化水素の排出量が少ない安定した燃焼を実現す
ると共に、直接噴射式内燃機関の特徴であるノツキング
を抑制した高圧縮比化、NOx低減およびポンプ損失の低
減を実現することが、同時に行えない、という問題があ
った。That is, in the conventional direct injection type internal combustion engine, soot and emissions of unburned hydrocarbons as well as realize a less stable combustion, high compression ratio with a suppressed Notsukingu is characteristic of a direct injection internal combustion engine, NO x There is a problem that the reduction and the pump loss cannot be realized at the same time.
本考案は上記問題点を解決すべくなされたもので、点
火栓の火花ギヤツプの周囲に離散させることなく安定に
可燃混合気を形成して保持すると共に着火後の余剰空気
との過剰混合を避けることにより、広い空気過剰率域
(負荷域)に亘って安定な燃焼を容易に実現して性能を
向上させた直接噴射式内燃機関を提供することを目的と
する。The present invention has been made to solve the above problems, and stably forms and maintains a combustible air-fuel mixture without being dispersed around a spark gap of an ignition plug, and avoids excessive mixing with excess air after ignition. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a direct injection type internal combustion engine in which stable combustion is easily realized over a wide excess air ratio region (load region) to improve performance.
上記目的を達成するために本考案の直接噴射式内燃機
関は、可燃混合気を保持する第1の凹所、余剰空気ある
いは前記可燃混合気より希薄な混合気を保持する第2の
凹所および前記第1の凹所と前記第2の凹所とを連通し
かつ絞りとして作用する連通路によって単一の燃焼室空
間を形成し、前記燃焼室空間の周囲でかつピストンとシ
リンダヘツドとの間にピストンが上死点に位置するとき
に狭いクリアランスとなるスキッシュエリアを設け、機
関負荷に応じて噴射された燃料が第2の凹所側より前記
連通路を介して前記第1の凹所の形成する壁面に向うよ
うに燃料噴射装置を配置すると共に、ピストンが上死点
に位置するときに点火点が前記第1の凹所内に位置する
ように点火装置を配置した直接噴射式内燃機関であっ
て、前記第1の凹所をピストンの頂面を凹ませて形成
し、前記第2の凹所を前記頂面を凹ませて前記第1の凹
所の近傍に形成し、前記連通路を前記頂面の中央部を凹
ませて第1の凹所と第2の凹所の各中心を結ぶ直線上略
中央に設け、該連通路の前記第1の凹所と前記第2の凹
所との配列方向と直交する直交方向の幅が前記第1の凹
所の開口部の該直交方向と同方向の最大幅と前記第2の
凹所の開口部の該直交方向と同方向の最大幅とのいずれ
か小さい方の幅より狭くかつ燃料噴射装置からの燃料噴
射幅よりも広くなるように形成したことを特徴とする。In order to achieve the above object, a direct injection internal combustion engine of the present invention comprises a first recess for holding a combustible mixture, a second recess for holding excess air or a mixture leaner than the combustible mixture, and A single combustion chamber space is formed by a communication passage communicating the first recess and the second recess and acting as a throttle, and is provided around the combustion chamber space and between the piston and the cylinder head. A squish area for providing a narrow clearance when the piston is located at the top dead center, and the fuel injected according to the engine load is supplied from the second recess through the communication passage to the first recess. A direct injection type internal combustion engine in which a fuel injection device is arranged so as to face a wall surface to be formed and an ignition device is arranged so that an ignition point is located within the first recess when the piston is located at a top dead center. Then, the first recess The top surface of the stone is recessed, the second recess is formed near the first recess by recessing the top surface, and the communication passage is recessed at the center of the top surface. And provided substantially at the center of a straight line connecting the centers of the first recess and the second recess, and an orthogonal direction orthogonal to the arrangement direction of the first recess and the second recess of the communication path. Which is the smaller of the maximum width of the opening of the first recess in the same direction as the orthogonal direction and the maximum width of the opening of the second recess in the same direction as the orthogonal direction. It is characterized in that it is formed to be narrower and wider than the fuel injection width from the fuel injection device.
本考案の燃焼空間は、ピストン頂面を凹ませて形成し
た第1の凹所、ピストン頂面を凹ませて形成した第2の
凹所、および第1の凹所と第2の凹所とを連通するよう
にピストン頂面の中央部を凹ませて第1の凹所と第2の
凹所の各中心を結ぶ直線上略中央に形成した連通路から
構成されている。この連通路の前記第1の凹所と前記第
2の凹所との配列方向と直交する直交方向の幅は、前記
第1の凹所の開口部の該直交方向と同方向の最大幅と前
記第2の凹所の開口部の該直交方向と同方向の最大幅と
のいずれか小さい方の幅より狭くかつ燃料噴射装置から
の燃料噴射幅よりも広くなるように形成されている。本
考案によれば圧縮行程後期において燃料噴射装置からの
燃料噴射を終了することにより第1の凹所以外の部位か
ら負荷に応じた量の燃料が噴射され、噴射された燃料、
すなわち噴霧は第1の凹所を形成する壁面に向い、空気
と混合されながら第1の凹所内に集められる。このと
き、燃焼室空間の周囲にはスキッシュエリアが設けられ
ているため、第1の凹所から混合気がもれてもスキッシ
ュによって第1の凹所内に押込まれ、また第1の凹所と
第2の凹所との圧力がほとんど同じであるため両凹所間
の流れが生じにくく、比較的幅の広い連通路であっても
第1の凹所内の混合気が連通路を通るときの適当な絞り
抵抗となり、混合気はしばらくの間第1の凹所内に保持
される。The combustion space of the present invention includes a first recess formed by recessing the piston top surface, a second recess formed by recessing the piston top surface, and a first recess and a second recess. And a communication path formed substantially at the center of a straight line connecting the centers of the first and second recesses by recessing the center of the piston top surface so as to communicate with the center. The width of the communication passage in the orthogonal direction orthogonal to the arrangement direction of the first recess and the second recess is the maximum width of the opening of the first recess in the same direction as the orthogonal direction. The opening of the second recess is formed to be narrower than the smaller of the maximum width in the orthogonal direction and the same direction and wider than the fuel injection width from the fuel injection device. According to the present invention, by ending the fuel injection from the fuel injection device in the latter half of the compression stroke, an amount of fuel corresponding to the load is injected from a portion other than the first recess, and the injected fuel;
That is, the spray is directed toward the wall forming the first recess and is collected in the first recess while being mixed with air. At this time, since the squish area is provided around the combustion chamber space, even if the air-fuel mixture leaks from the first recess, it is pushed into the first recess by the squish, and Since the pressure in the second recess is almost the same, the flow between the two recesses hardly occurs, and even when the mixture in the first recess passes through the communication passage even in a relatively wide communication passage. There is adequate throttling resistance and the mixture is retained in the first recess for a while.
また、連通路がピストン頂面の中央部に配置されてい
ることから、連通路によってスワーが分断され第1凹所
と第2凹所とによってシリンダ内のスワールが減衰さ
れ、スワールによって混合気が流され難くなる。なお、
燃料噴射量は負荷に応じて燃料噴射期間を制御すること
により制御される。Further, since the communication path is arranged at the center of the piston top surface, the swirl is divided by the communication path, the swirl in the cylinder is attenuated by the first recess and the second recess, and the air-fuel mixture is swirled by the swirl. It becomes hard to be washed away. In addition,
The fuel injection amount is controlled by controlling the fuel injection period according to the load.
第1の凹所内に保持された可燃混合気に火花点火する
と、第1の凹所内で急激に火炎伝播して燃焼し、これに
よつて圧力が上昇する。そして、燃焼ガスの一部は、連
通路を介して余剰空気あるいは可燃混合気より相対的に
希薄な混合気が保持された第2の凹所に流入するかまた
はトツプクリアランス部のスキッシュエリアに流入して
スキッシュによって第2の凹所に押込まれ、余剰空気あ
るいは相対的に希薄な混合気と混合する。このとき連通
路の幅が比較的広いので、連通路の抵抗は燃焼ガスの噴
流を発生するほどには大きくなく、燃焼ガスと第2の凹
所の余剰空気あるいは相対的に希薄な混合気とはスムー
ズに混合する。ここで、高負荷時には、第1の凹所内に
濃混合気が保持されるため、この濃混合気は第1の凹所
内で燃焼して膨張し燃焼反応(酸化反応)を伴いつつ連
通路等を介して第2の凹所内へ流入し余剰空気あるいは
相対的に希薄な混合気と混合して拡散燃焼する。一方、
低負荷時には第1の凹所内に可燃の希薄混合気が保持さ
れるため、この希薄混合気は第1の凹所内でのみ燃焼反
応を完結した後に連通路等を介して第2の凹所内の余剰
空気あるいは相対的に希薄な混合気と混合するので消炎
を防止できる。When the combustible mixture held in the first recess is spark ignited, the flame rapidly propagates and burns in the first recess, thereby increasing the pressure. Then, a part of the combustion gas flows into the second recess where the excess air or the air-fuel mixture relatively leaner than the combustible air-fuel mixture is held through the communication passage, or flows into the squish area of the top clearance portion. It is then pushed into the second recess by the squish and mixes with excess air or a relatively lean mixture. At this time, since the width of the communication passage is relatively wide, the resistance of the communication passage is not so large as to generate the jet of the combustion gas, and the combustion gas and the excess air in the second recess or the relatively lean air-fuel mixture are mixed. Mixes smoothly. Here, when the load is high, the rich air-fuel mixture is held in the first recess, so that the rich air-fuel mixture burns and expands in the first recess, and a combustion reaction (oxidation reaction) is performed with a communication passage or the like. Flows into the second recess through the air and mixes with the excess air or a relatively lean air-fuel mixture to perform diffusion combustion. on the other hand,
When the load is low, the combustible lean air-fuel mixture is held in the first hollow. Therefore, the lean air-fuel mixture completes the combustion reaction only in the first hollow and then in the second hollow via the communication passage or the like. Since it is mixed with surplus air or a relatively lean air-fuel mixture, quenching can be prevented.
また、噴射された燃料が燃料噴射幅よりも幅が広い連
通路を介して第1の凹所を形成する壁面に向うように燃
料噴射装置を配置してあるので、連通路を介して燃料が
第1の凹所内に集められ、燃料噴射装置と第1の凹所と
の間の距離、すなわち噴霧到達距離を長くかつ混合時間
を長くすることができると共に、噴霧が連通路を介して
供給されるため、噴霧のピストン頂面への付着を著しく
低減できる。Further, since the fuel injection device is arranged so that the injected fuel is directed to the wall surface forming the first recess through the communication passage wider than the fuel injection width, the fuel is injected through the communication passage. The fuel is collected in the first recess and the distance between the fuel injection device and the first recess, that is, the spray reaching distance and the mixing time can be increased, and the spray is supplied through the communication passage. Therefore, adhesion of the spray to the piston top surface can be significantly reduced.
以下図面を参照して本考案の実施例を詳細に説明す
る。第1図(1)は本考案の第1実施例に係る直接噴射
式内燃機関の断面図を示し、第1図(2)はこの内燃機
関のピストンの平面図を示すものである。シリンダ10に
は、ピストン12が往復動可能に挿入されており、このピ
ストン12の頂面に燃焼室空間を構成するキヤビテイが形
成されている。このキヤビテイは、円柱状に穿設された
可燃混合気保持用の第1の凹所14と、第1の凹所14と同
一形状でかつ同一容積となるように穿設された第2の凹
所16と、第1の凹所14と第2の凹所16との各中心を結ぶ
直線上の略中央に第1の凹所14と第2の凹所16との壁面
に接しかつ対向する2つの円柱の側面突起18A,18Bで形
成されかつピストン頂面中央部を凹ませて形成された連
通路18とから構成され、第1の凹所14に可燃混合気を、
第2の凹所16に余剰空気あるいは相対的に希薄な混合気
を各々保持するように配置されている。連通路18の側面
突起18A、18B間の間隔、すなわち連通路の第1の凹所と
第2の凹所との配列方向と直交する方向の幅は、第1の
凹所および第2の凹所の開口部の径より小さくかつ第1
図(2)図示のように燃料噴射弁24から供給される燃料
噴射幅よりも広く深さが同一となるように形成されてお
り、連通路18はピストン頂面の中央部で適度の絞りを構
成する。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 (1) is a sectional view of a direct injection type internal combustion engine according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1 (2) is a plan view of a piston of the internal combustion engine. A piston 12 is inserted into the cylinder 10 so as to be able to reciprocate, and a cavity constituting a combustion chamber space is formed on the top surface of the piston 12. The cavity has a first recess 14 formed in a columnar shape for holding a combustible air-fuel mixture, and a second recess formed in the same shape and the same volume as the first recess 14. Location 16 and substantially at the center of a straight line connecting the centers of the first recess 14 and the second recess 16 in contact with and facing the wall surfaces of the first recess 14 and the second recess 16 A communication passage 18 formed by two cylindrical side projections 18A and 18B and formed by recessing the center of the piston top surface;
The second recesses 16 are arranged to hold excess air or a relatively lean mixture, respectively. The distance between the side projections 18A and 18B of the communication passage 18, that is, the width of the communication passage in the direction orthogonal to the direction in which the first and second recesses are arranged, is equal to the first and second recesses. Smaller than the diameter of the opening at
As shown in FIG. 2, the communication passage 18 is formed so as to be wider than the fuel injection width supplied from the fuel injection valve 24 and to have the same depth. Configure.
シリンダヘツド20には、ピストンが上死点に位置する
ときに火花ギヤツプ22Aが第1の凹所14内に位置するよ
うに、点火栓22が取付けられている。またシリンダヘツ
ド20には、点火栓22の火花ギヤツプ22A方向(第1図
(1)および第2図(1))の第1の凹所14の底壁面へ
連通路18を介して燃料を噴射して第1の凹所14内に燃料
を集めるように、第1の凹所14以外の部材に燃料噴射弁
24が取付けられている。この燃料噴射弁24の燃料噴射終
了時期は、圧縮上死点前20゜〜80゜CA前後に設定され、
燃料噴射期間を変化させることにより負荷に応じた量の
燃料を噴射するようにされている。An ignition plug 22 is attached to the cylinder head 20 such that the spark gap 22A is located in the first recess 14 when the piston is located at the top dead center. Fuel is injected into the cylinder head 20 through the communication passage 18 to the bottom wall surface of the first recess 14 in the direction of the spark gap 22A of the spark plug 22 (FIGS. 1A and 1A). In order to collect fuel in the first recess 14, the fuel injection valve is attached to a member other than the first recess 14.
24 are installed. The fuel injection ending time of the fuel injection valve 24 is set to about 20 to 80 CA before the compression top dead center,
By changing the fuel injection period, an amount of fuel corresponding to the load is injected.
また、第1の凹所から流出した混合気をスキツシユで
押込んで保持するため、上記の機関のトツプクリアラン
スTcは極力小さく設定されてスキッシュエリアが形成さ
れている。また第2図(1)の矢印SWIRLは吸気スワー
ルを利用したときのスワールの方向を示す。また、この
機関の希薄限界空気過剰率λLLは上死点での全燃焼室容
積VTと可燃混合気を保持する凹所の容積Vcとに基づいて
次式のように定まり、本実施例では可燃混合気を保持す
る第1の凹所の容積と余剰空気あるいは相対的に希薄な
混合気を保持する第2の凹所の容積との容積比を1に定
めている。In addition, in order to press and hold the air-fuel mixture that has flowed out of the first recess with a skit, the top clearance Tc of the engine is set as small as possible to form a squish area. The arrow SWIRL in FIG. 2 (1) indicates the direction of the swirl when using the intake swirl. The lean limit excess air ratio λ LL of this engine is determined by the following equation based on the total combustion chamber volume V T at the top dead center and the volume V c of the recess holding the combustible air-fuel mixture. In the example, the volume ratio of the volume of the first recess holding the combustible air-fuel mixture to the volume of the second recess holding the excess air or the relatively lean air-fuel mixture is set to 1.
λLL≒VT/Vcλ′LL ・・・(1) ただし、λ′LLは予め燃料と空気とを混合して燃焼さ
せる予混合機関の希薄限界空気過剰率である、通常1.4
〜1.8(例えばガソリンの場合空燃比で20〜26)であ
る。λ LL ≒ V T / V c λ ′ LL (1) where λ ′ LL is a lean limit excess air ratio of a premixed engine in which fuel and air are previously mixed and burned, usually 1.4.
-1.8 (for example, in the case of gasoline, the air-fuel ratio is 20-26).
従つて、本実施例では、希薄限界空気過剰率を2.8〜
3.6程度として予混合機関の2倍程度とすることができ
る。Therefore, in this embodiment, the lean limit excess air ratio is set to 2.8 to 2.8.
It can be about 3.6 times that of the premixed engine.
本実施例によれば、圧縮上死点前20〜80゜CA近傍(第
2図(2)の実線で示すピストン位置)で燃料噴射が終
了され、噴射された燃料は上記構成により空気と混合さ
れながら連通路18を介して直接的に第1の凹所14内に効
率良く的確に集められ、所定の期間滞留し、これによっ
て混合気が形成される。すなわち、第1の凹所14内には
該第1の凹所14と第2の凹所16が同一形0で同一容積で
あってかつ第1の凹所14がこれの中心と第2の凹所16と
の中心を結ぶ直線上の略中央に連通路18を通じて第2の
凹所16に連通すると共に燃料噴射弁24が第2の凹所16側
より連通路18を介して第1の凹所14に向って燃料噴射す
るように配設されているため、第1の凹所14と第2の凹
所16内には別個独立に所望する混合気を供給収容でき的
確に保持することができる。また、前記連通路18の幅は
燃料噴射弁24から供給される燃料噴射幅より広く形成さ
れているため燃料が付着するのを防止することができ
る。連通路18をピストン頂面の中央部に設けているの
で、この連通路18によってスワールが分割されて第1、
第2の凹所でスワールが減衰され、混合気はピストン頂
面に漏れ難くなる。また、燃料噴射開始のピストン位置
は、エンジン回転速度1800〔rpm〕の最大負荷時(正味
平均有効圧≒0.8〔MPa〕を例に採れば、第2図(2)の
破線の位置になる。上記のようにピストン頂面に漏れに
くく形成された混合気に点火栓によって火花点火する
と、可燃混合気は第1の凹所14内で急激に火炎伝播して
燃焼し圧力上昇する。そして、燃焼ガスの一部は連通路
18を介して第2の凹所16に流入するか又はトツプクリア
ランス部に流入してスキッシュによって押込まれ余剰空
気あるいは相対的に希薄な混合気と混合する。ここで、
高負荷時には混合気は第1の凹所内でλ≦1の状態で燃
焼し、膨張行程初期に第2の凹所内の余剰空気あるいは
相対的に希薄な混合気と混合して拡散燃焼(酸化反応)
するが、低負荷時には第1の凹所内のみで燃焼した後余
剰空気あるいは相対的に希薄な混合気と混合する。According to the present embodiment, the fuel injection is terminated in the vicinity of 20 to 80 ° CA before the compression top dead center (the piston position indicated by the solid line in FIG. 2 (2)), and the injected fuel is mixed with air by the above configuration. As a result, the fuel gas is efficiently and accurately collected directly in the first recess 14 via the communication passage 18 and stays for a predetermined period, thereby forming an air-fuel mixture. That is, in the first recess 14, the first recess 14 and the second recess 16 have the same shape 0 and the same volume, and the first recess 14 The fuel injection valve 24 communicates with the second recess 16 through the communication passage 18 at substantially the center of a straight line connecting the center of the recess 16 and the first injection via the communication passage 18 from the second recess 16 side. Since the fuel injection is provided toward the recess 14, the desired air-fuel mixture can be separately and independently supplied and stored in the first recess 14 and the second recess 16 accurately. Can be. Further, since the width of the communication passage 18 is formed wider than the fuel injection width supplied from the fuel injection valve 24, it is possible to prevent the fuel from adhering. Since the communication path 18 is provided at the center of the top surface of the piston, the swirl is divided by the communication path 18 so that the first,
The swirl is attenuated in the second recess, so that the air-fuel mixture hardly leaks to the piston top surface. In addition, the piston position at the start of fuel injection is a position indicated by a broken line in FIG. 2 (2) in the case of a maximum load at an engine rotation speed of 1800 [rpm] (a net average effective pressure ≒ 0.8 [MPa]). When the air-fuel mixture formed on the piston top surface is hardly leaked as described above, when the spark plug is used to ignite the combustible air-fuel mixture, the combustible air-fuel mixture rapidly propagates in the first recess 14 and burns, and the pressure rises. Part of the gas is a communication passage
It flows into the second recess 16 via 18 or into the top clearance and is pushed by the squish to mix with excess air or a relatively lean mixture. here,
At a high load, the air-fuel mixture burns in the first recess in a state of λ ≦ 1, and mixes with the excess air or the relatively lean air-fuel mixture in the second recess early in the expansion stroke to perform diffusion combustion (oxidation reaction). )
However, when the load is low, the fuel burns only in the first recess and then mixes with surplus air or a relatively lean air-fuel mixture.
上記では円柱状の凹所を2個ピストン頂面に設けて容
積比を1にした例について説明したが、本考案はこれに
限定されるものではなく、容積比は希薄限界空気過剰率
をどのくらいにするかで上記(1)式に基づいて第1の
凹所および第2の凹所の径、深さを調整することにより
決定される。In the above description, an example in which two column-shaped recesses are provided on the piston top surface and the volume ratio is set to 1 has been described. However, the present invention is not limited to this. It is determined by adjusting the diameter and depth of the first recess and the second recess based on the above equation (1).
また、上記では連通路の幅を狭くして絞りを形成した
が深さを浅くして絞りを形成しても幅と深さの両方を小
さくして絞りを形成してもよく、また上記では点火栓を
1個設けた例について説明したが、第2の凹所側にも点
火栓を配置して高負荷時の急速燃焼を図ることができ
る。Further, in the above description, the aperture is formed by narrowing the width of the communication path, but the aperture may be formed by reducing both the width and the depth, or the aperture may be formed by reducing the depth and shallowness. Although an example in which one ignition plug is provided has been described, an ignition plug can be arranged also on the second recess side to achieve rapid combustion under a high load.
以下図面を参照して上記凹所および連通路の変形例を
説明する。なお、図において矢印は燃料噴射方向を示
し、×印は点火位置を示す。Hereinafter, modified examples of the recess and the communication path will be described with reference to the drawings. In the drawings, the arrows indicate the fuel injection direction, and the crosses indicate the ignition positions.
第3図は第1図(2)、第2図に示した第1実施例の
第1の変形例である。この変形例はピストン頂面に形成
したキヤビテイにピストン頂面の中心方向に突出するリ
ツプAを設け、リエントラント形にしたものである。点
火栓、噴射弁の配置は第1図の第1実施例と同一である
が、リツプAを設けることにより可燃混合気の保持がよ
り改善されると共に、スキツシユ面積の増大によるスキ
ツシユ流の強化をも図ることができる。FIG. 3 shows a first modification of the first embodiment shown in FIGS. 1 (2) and 2. In this modified example, a lip A protruding toward the center of the piston top surface is provided on a cavity formed on the piston top surface to form a reentrant type. The arrangement of the spark plug and the injection valve is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 1, but the provision of the lip A further improves the retention of the combustible air-fuel mixture and enhances the flow of the skish by increasing the skid area. Can also be achieved.
第4図は半球状の第1の凹所14と第1の凹所に近づく
に従って徐々に深さが浅くなる第2の凹所16とを連通路
で連通してピストン頂面に形成した第2変形例を示すも
のである。この第2変形例では、連通路の幅も深さも第
1の凹所および第2の凹所の幅および深さより小さく形
成されている。FIG. 4 shows a first concave portion 14 formed on the top surface of the piston by communicating a first concave portion 14 having a hemispherical shape and a second concave portion 16 whose depth gradually decreases as approaching the first concave portion through a communication passage. It shows a second modification. In the second modification, both the width and the depth of the communication passage are formed smaller than the width and the depth of the first recess and the second recess.
第5図はピストン頂面に、第1の凹所14とこの凹所よ
り径が小さくかつ深さが深い第2の凹所16とを形成して
幅の狭い連通路で連通した第3変形例を示すものであ
る。FIG. 5 shows a third modification in which a first recess 14 and a second recess 16 having a smaller diameter and a greater depth than the recess are formed on the top surface of the piston and communicate with each other through a narrow communication passage. This is an example.
第6図は第3変形例とは逆に、ピストン頂面に、第1
の凹所14とこの凹所より径が大きくかつ深さが浅い第2
の凹所16とを形成した第4変形例を示すものである。FIG. 6 shows the first modification on the top surface of the piston, contrary to the third modification.
Recess 14 and a second, larger in diameter and shallower depth than this recess
14 shows a fourth modified example in which the recess 16 is formed.
第7図はピストン頂面に半球状の第1の凹所14と半球
状の第2の凹所16とを連通して形成し、これらの凹所間
に突部15を形成した第5変形例を示すものである。この
変形例によれば突部15により幅が狭く深さが浅い連通路
が形成されているため可燃混合気と余剰空気とを効果的
に分離することができる。FIG. 7 shows a fifth modification in which a hemispherical first concave portion 14 and a hemispherical second concave portion 16 are formed in communication with the piston top surface, and a projection 15 is formed between these concave portions. This is an example. According to this modification, since the communication path having a small width and a small depth is formed by the projection 15, the combustible air-fuel mixture and the excess air can be effectively separated.
なお、本考案の直接噴射式内燃機関の燃料としてはガ
ソリンにかかわらず、アルコール軽油、灯油などを含む
多種燃料を用いることができる。It should be noted that the direct injection type internal combustion engine of the present invention can use various kinds of fuels including alcohol gas oil, kerosene and the like irrespective of gasoline.
以上説明したように本考案によれば、次のような効果
が得られる。すなわち、絞りとして作用する連通路をピ
ストン頂面中央部に設けたので、スワールを減衰させて
スワールによって混合気が流れ難くなり、可燃混合気が
凹所内に暫く保持されることから燃料噴射時期および点
火時期の自由度が広がり、混合気形成の時間も採り易く
すすの発生を少なくすることができる。また失火の少な
い安定した燃焼が可能となる。可燃混合気が狭い凹所内
に保持されて燃焼されることからクエンチ層の領域が狭
くなると共に、可燃混合気が燃焼してから余剰空気と混
合するので、低負荷域でも燃焼温度が高く消炎がなくな
る。さらに、燃料を所定の凹所に集中して集めて火花点
火して燃焼させるので燃料が他に漏れ出ることがなく、
未燃炭化水素の排出率を低くすることができる。また比
較的濃い可燃混合気を燃焼させることから火花伝播時間
が短くなると共に、可燃混合気が燃焼された後余剰空気
あるいは相対的に希薄な混合気と混合されることからエ
ンドガスが主に空気になるため、高圧縮比化してもノツ
キングの発生を抑制することができる。高負荷域で可燃
混合気が濃い状態で燃焼したあと余剰空気あるいは相対
的に希薄な混合気と混合し拡散燃焼するので、余剰空気
内の窒素が酸化されることが少なくなり、NOxの生成を
少なくすることができる。吸気を絞らない状態で燃料噴
射量を制御することによつて負荷を制御できるので、広
い負荷に対して吸気絞り無しで安定燃焼させ、これによ
りポンプ損失を低減できる。また、特に強力な点火装置
を必要としないので、点火系のコストと耐久性を従来の
予混合機関並にすることができる。As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained. That is, since the communication passage acting as a throttle is provided at the center of the piston top surface, the swirl is attenuated, and the air-fuel mixture becomes difficult to flow by the swirl, and the combustible air-fuel mixture is held in the recess for a while. The degree of freedom of the ignition timing is increased, and the time for forming the air-fuel mixture can be easily taken, so that the generation of soot can be reduced. In addition, stable combustion with little misfire can be achieved. Since the combustible mixture is held in the narrow recess and burned, the area of the quench layer becomes narrower, and since the combustible mixture is mixed with surplus air after burning, the combustion temperature is high even in a low load range, and quenching occurs. Disappears. Furthermore, since fuel is concentrated in a predetermined recess and spark ignited and burned, fuel does not leak to other parts,
The emission rate of unburned hydrocarbons can be reduced. In addition, the combustion time of the relatively rich combustible air-fuel mixture shortens the spark propagation time, and since the combustible air-fuel mixture is mixed with surplus air or a relatively lean air-fuel mixture after the combustible air-fuel mixture is burned, the end gas is mainly converted to air. Therefore, even if the compression ratio is increased, occurrence of knocking can be suppressed. Since the combustible air-fuel mixture is burned in a high-load region in a high-density state and then mixed with surplus air or a relatively lean air-fuel mixture and diffused, the oxidation of nitrogen in the surplus air is reduced, and NO x is generated. Can be reduced. Since the load can be controlled by controlling the fuel injection amount without restricting the intake air, a wide load can be stably burned without the intake throttle, thereby reducing pump loss. Further, since a particularly powerful ignition device is not required, the cost and durability of the ignition system can be made equal to those of the conventional premixed engine.
第1図(1)は本考案の第1実施例の断面図、第1図
(2)は上記実施例のピストンの平面図、第2図(1)
は上記実施例のキヤビテイ形状と燃料噴射方向とを示す
線図、第2図(2)は燃料噴射開始および終了時のピス
トン位置を示す線図、第3図(1)は上記第1実施例の
第1変形例に係るピストンの平面図、第3図(2)は上
記第1変形例の縦断面図、第4図(1)は上記第1実施
例の第2変形例に係るピストンの平面図、第4図(2)
は第4図(1)のII−II線断面図、第5図(1)は上記
第1実施例の第3変形例に係るピストン平面図、第5図
(2)は第5図(1)のII−II線断面図、第6図(1)
は上記第1実施例の第4変形例に係るピストンの平面
図、第6図(2)は第6図(1)のII−II線断面図、第
7図(1)は上記第1実施例の第5変形例に係るピスト
ンの平面図、第7図(2)は第7図(1)のII−II線断
面図である。 12……ピストン、14……第1の凹所、16……第2の凹
所、22……点火栓、24……燃料噴射弁。1 (1) is a sectional view of a first embodiment of the present invention, FIG. 1 (2) is a plan view of the piston of the above embodiment, and FIG. 2 (1).
Is a diagram showing the cavity shape and the fuel injection direction of the above embodiment, FIG. 2 (2) is a diagram showing the piston position at the start and end of the fuel injection, and FIG. 3 (1) is a diagram of the first embodiment. FIG. 3 (2) is a longitudinal sectional view of the first modified example, and FIG. 4 (1) is a plan view of the piston according to a second modified example of the first embodiment. Plan view, FIG. 4 (2)
Is a sectional view taken along the line II-II of FIG. 4 (1), FIG. 5 (1) is a plan view of a piston according to a third modification of the first embodiment, and FIG. 5 (2) is a view of FIG. FIG. 6 (1) is a sectional view taken along line II-II of FIG.
Is a plan view of a piston according to a fourth modification of the first embodiment, FIG. 6 (2) is a sectional view taken along the line II-II of FIG. 6 (1), and FIG. 7 (1) is a view of the first embodiment. FIG. 7 (2) is a sectional view taken along the line II-II of FIG. 7 (1), showing a plan view of a piston according to a fifth modification of the example. 12 ... piston, 14 ... first recess, 16 ... second recess, 22 ... spark plug, 24 ... fuel injection valve.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−265322(JP,A) 実開 昭54−150702(JP,U) 実開 昭59−102939(JP,U) 特公 昭40−10001(JP,B1) 特公 昭56−50099(JP,B2) 特公 昭56−47371(JP,B2) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-61-265322 (JP, A) JP-A-54-150702 (JP, U) JP-A-59-102939 (JP, U) JP-A-40- 10001 (JP, B1) JP 56-50099 (JP, B2) JP 56-47371 (JP, B2)
Claims (1)
気あるいは前記可燃混合気より希薄な混合気を保持する
第2の凹所および前記第1の凹所と前記第2の凹所とを
連通しかつ絞りとして作用する連通路によって単一の燃
焼室空間を形成し、前記燃焼室空間の周囲でかつピスト
ンとシリンダヘツドとの間にピストンが上死点に位置す
るときに狭いクリアランスとなるスキッシュエリアを設
け、機関負荷に応じて噴射された燃料が第2の凹所側よ
り前記連通路を介して前記第1の凹所を形成する壁面に
向うように燃料噴射装置を配置すると共に、ピストンが
上死点に位置するときに点火点が前記第1の凹所内に位
置するように点火装置を配置した直接噴射式内燃機関で
あって、 前記第1の凹所をピストンの頂面を凹ませて形成し、 前記第2の凹所を前記頂面を凹ませて前記第1の凹所の
近傍に形成し、 前記連通路を前記頂面の中央部を凹ませて第1の凹所と
第2の凹所の各中心を結ぶ直線上略中央に設け、該連通
路の前記第1の凹所と前記第2の凹所との配列方向と直
交する直交方向の幅が前記第1の凹所の開口部の該直交
方向と同方向の最大幅と前記第2の凹所の開口部の該直
交方向と同方向の最大幅とのいずれか小さい方の幅より
狭くかつ燃料噴射装置からの燃料噴射幅よりも広くなる
ように形成したことを特徴とする直接噴射式内燃機関。A first recess for holding a combustible air-fuel mixture, a second recess for holding surplus air or an air-fuel mixture leaner than the combustible air-fuel mixture, and the first recess and the second recess. A single combustion chamber space is formed by a communication passage communicating with the place and acting as a throttle, and is narrow when the piston is located at the top dead center around the combustion chamber space and between the piston and the cylinder head. A squish area serving as a clearance is provided, and the fuel injection device is arranged such that fuel injected according to the engine load is directed from the second recess side to the wall surface forming the first recess via the communication passage. And a direct injection type internal combustion engine having an ignition device arranged such that an ignition point is located within the first recess when the piston is located at the top dead center. The second surface is formed by recessing the top surface. A recess is formed near the first recess by recessing the top surface, and a center of the first recess and the second recess is formed by recessing a center of the top surface of the communication path. And the width of the communication path in the orthogonal direction orthogonal to the arrangement direction of the first recess and the second recess is equal to the width of the opening of the first recess. The width is smaller than the smaller of the maximum width in the same direction as the direction and the maximum width of the opening of the second recess in the same direction as the orthogonal direction, and is wider than the fuel injection width from the fuel injection device. A direct injection type internal combustion engine characterized by being formed as described above.
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