JP3330336B2 - 火花点火式内燃機関 - Google Patents
火花点火式内燃機関Info
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- JP3330336B2 JP3330336B2 JP31503798A JP31503798A JP3330336B2 JP 3330336 B2 JP3330336 B2 JP 3330336B2 JP 31503798 A JP31503798 A JP 31503798A JP 31503798 A JP31503798 A JP 31503798A JP 3330336 B2 JP3330336 B2 JP 3330336B2
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- Japan
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- cavity
- fuel
- spray
- internal combustion
- combustion engine
- Prior art date
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
- F02B23/08—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition
- F02B23/10—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder
- F02B23/104—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder the injector being placed on a side position of the cylinder
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B75/00—Other engines
- F02B75/12—Other methods of operation
- F02B2075/125—Direct injection in the combustion chamber for spark ignition engines, i.e. not in pre-combustion chamber
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
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- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
- Fuel-Injection Apparatus (AREA)
- Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、シリンダ内に空気
を吸入し、ピストンにより吸入空気を圧縮するととも
に、燃料を直接筒内に噴射して点火、燃焼させる火花点
火式内燃機関に関する。
を吸入し、ピストンにより吸入空気を圧縮するととも
に、燃料を直接筒内に噴射して点火、燃焼させる火花点
火式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の火花点火機関は、キャブレタもし
くは噴射弁により燃料を吸気管に供給し、予め空気と混
合させて、シリンダ内に吸入、点火、燃焼させるのが主
流である。そして、混合気は可燃範囲の濃度に調節され
るため、負荷の調整は吸入空気量を制御する、すなわち
スロットル弁を使うのが普通である。そのため、ガス交
換過程で仕事が必要になり、部分負荷の使用頻度の高
い、例えば自動車用機関などでは燃費が悪い。また、可
燃範囲に調整された混合気の比熱比は小さく熱効率的に
不利である。これに対して、空気を吸入し、燃料を直接
筒内に噴射して点火、燃焼させる方式が従来より提案さ
れている（実開平１−１７３４１６号公報）。これは、
低負荷では圧縮行程末期に燃料を噴射し、点火プラグ３
０に燃料を集めて燃焼させ、高負荷時には吸気行程で燃
料を噴射し、燃料と空気をよく混合させて点火燃焼させ
る方式である。この場合、負荷の調整は燃料噴射量のみ
で行えるため、ガス交換過程での仕事が不要となり、部
分負荷においても燃費がよい。また、空気の比率が高い
ため、比熱比も大きく、熱効率が高い。
くは噴射弁により燃料を吸気管に供給し、予め空気と混
合させて、シリンダ内に吸入、点火、燃焼させるのが主
流である。そして、混合気は可燃範囲の濃度に調節され
るため、負荷の調整は吸入空気量を制御する、すなわち
スロットル弁を使うのが普通である。そのため、ガス交
換過程で仕事が必要になり、部分負荷の使用頻度の高
い、例えば自動車用機関などでは燃費が悪い。また、可
燃範囲に調整された混合気の比熱比は小さく熱効率的に
不利である。これに対して、空気を吸入し、燃料を直接
筒内に噴射して点火、燃焼させる方式が従来より提案さ
れている（実開平１−１７３４１６号公報）。これは、
低負荷では圧縮行程末期に燃料を噴射し、点火プラグ３
０に燃料を集めて燃焼させ、高負荷時には吸気行程で燃
料を噴射し、燃料と空気をよく混合させて点火燃焼させ
る方式である。この場合、負荷の調整は燃料噴射量のみ
で行えるため、ガス交換過程での仕事が不要となり、部
分負荷においても燃費がよい。また、空気の比率が高い
ため、比熱比も大きく、熱効率が高い。
【０００３】しかし、この燃焼法は適正な混合気をつく
ることが難しい。すなわち、低負荷では点火プラグ近傍
に燃料を集めなくてはならないし、高負荷では逆に燃料
を分散させ、点火プラグ周りに過濃な混合気が集まらな
いようにしなくてはならない。点火プラグ周りの混合気
が濃いと、失火やプラグのくすぶり、スモーク発生など
の原因となるからである。また、ディーゼルと異なり、
主に火炎伝播で燃焼が進行するため、燃料の素早い気
化、混合が必要である。
ることが難しい。すなわち、低負荷では点火プラグ近傍
に燃料を集めなくてはならないし、高負荷では逆に燃料
を分散させ、点火プラグ周りに過濃な混合気が集まらな
いようにしなくてはならない。点火プラグ周りの混合気
が濃いと、失火やプラグのくすぶり、スモーク発生など
の原因となるからである。また、ディーゼルと異なり、
主に火炎伝播で燃焼が進行するため、燃料の素早い気
化、混合が必要である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術の
問題点を解消するもので、燃料を素早く気化、混合させ
て可燃混合気を点火プラグ周りに形成するとともに、低
負荷時の燃焼安定性を確保したまま、高負荷時の燃料分
散性、空気利用率を確保し得る火花点火式内燃機関を提
供することを目的とする。
問題点を解消するもので、燃料を素早く気化、混合させ
て可燃混合気を点火プラグ周りに形成するとともに、低
負荷時の燃焼安定性を確保したまま、高負荷時の燃料分
散性、空気利用率を確保し得る火花点火式内燃機関を提
供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に１番目の発明では、燃料噴射弁から燃焼室内に噴射さ
れた燃料を点火プラグにより着火せしめるようにした火
花点火式内燃機関において、シリンダヘッド内壁面の中
央部に点火プラグを配置すると共にシリンダヘッド内壁
面の周縁部に燃料噴射弁を配置し、ピストン頂面上に燃
料噴射弁の下方から点火プラグの下方まで延びるキャビ
ティを形成し、キャビティが、点火プラグ側のキャビテ
ィの端部においてキャビティの底面から上方に延びかつ
燃料噴射弁とシリンダ中心軸とを含む平面に対して横方
向に延びる壁面を具備すると共にキャビティの壁面がピ
ストン頂面に沿って燃料噴射弁下方のキャビティ内の点
を中心とする円弧状に延びており、円弧状に延びる該キ
ャビティ壁面の曲率半径が燃料噴射弁の噴口から点火プ
ラグの下方に位置するキャビティ壁面までの距離と同じ
か又は小さくされており、キャビティ壁面はその上方部
がキャビティ内に向けて突出するように傾斜せしめられ
ており、燃料噴射弁からは噴射軸線に沿ってみたときに
は扁平をなしかつシリンダ中心軸に沿ってみたときには
扇状をなす燃料噴霧が噴射され、機関低負荷運転時には
燃料噴霧をその全体がキャビティの底面に向かうように
噴射して燃料噴霧をキャビティ内に分散させ、次いでキ
ャビティ内に分散した燃料噴霧を上記キャビティ壁面に
よりキャビティの上方、内側に向けて巻き上げることに
より点火プラグの周りに集め、次いで点火プラグ周りに
集められた燃料噴霧を点火プラグにより着火するように
している。
に１番目の発明では、燃料噴射弁から燃焼室内に噴射さ
れた燃料を点火プラグにより着火せしめるようにした火
花点火式内燃機関において、シリンダヘッド内壁面の中
央部に点火プラグを配置すると共にシリンダヘッド内壁
面の周縁部に燃料噴射弁を配置し、ピストン頂面上に燃
料噴射弁の下方から点火プラグの下方まで延びるキャビ
ティを形成し、キャビティが、点火プラグ側のキャビテ
ィの端部においてキャビティの底面から上方に延びかつ
燃料噴射弁とシリンダ中心軸とを含む平面に対して横方
向に延びる壁面を具備すると共にキャビティの壁面がピ
ストン頂面に沿って燃料噴射弁下方のキャビティ内の点
を中心とする円弧状に延びており、円弧状に延びる該キ
ャビティ壁面の曲率半径が燃料噴射弁の噴口から点火プ
ラグの下方に位置するキャビティ壁面までの距離と同じ
か又は小さくされており、キャビティ壁面はその上方部
がキャビティ内に向けて突出するように傾斜せしめられ
ており、燃料噴射弁からは噴射軸線に沿ってみたときに
は扁平をなしかつシリンダ中心軸に沿ってみたときには
扇状をなす燃料噴霧が噴射され、機関低負荷運転時には
燃料噴霧をその全体がキャビティの底面に向かうように
噴射して燃料噴霧をキャビティ内に分散させ、次いでキ
ャビティ内に分散した燃料噴霧を上記キャビティ壁面に
よりキャビティの上方、内側に向けて巻き上げることに
より点火プラグの周りに集め、次いで点火プラグ周りに
集められた燃料噴霧を点火プラグにより着火するように
している。
【０００６】２番目の発明では１番目の発明において、
キャビティ壁面の縦断面形状が円弧状をなす。
キャビティ壁面の縦断面形状が円弧状をなす。
【０００７】３番目の発明では１番目の発明において、
キャビティの底面が平坦に形成されている。
キャビティの底面が平坦に形成されている。
【０００８】４番目の発明では１番目の発明において、
機関負荷が高くなるにつれて燃料噴射時期が早められ
る。
機関負荷が高くなるにつれて燃料噴射時期が早められ
る。
【０００９】５番目の発明では１番目の発明において、
燃料噴射弁の噴口がスリット状をなす。
燃料噴射弁の噴口がスリット状をなす。
【００１０】〔発明の作用・効果〕本発明による火花点
火式内燃機関では、噴射弁から噴出する燃料噴霧を、噴
射軸線に沿ってみたときには扁平に、シリンダ中心軸に
沿ってみたときには扇状をなす形状としたことにより、
燃料をシリンダ内に素早く分散させることができる。こ
の扁平扇形の噴霧は周囲空気を巻き込みやすいので、圧
縮行程で燃料を噴射すると圧縮によって高温となった空
気を素早く取り込み、気化、混合が早い。さらに、噴霧
の巻き込んだ空気は噴霧の運動量を奪うため、噴霧の飛
翔速度が低下し、噴霧長さが短くなる。このため、噴射
時期を早くしても燃料がシリンダ壁を濡らしたりするこ
とはなく、また、逆に遅くしてもピストン表面を液膜で
覆うことがない。
火式内燃機関では、噴射弁から噴出する燃料噴霧を、噴
射軸線に沿ってみたときには扁平に、シリンダ中心軸に
沿ってみたときには扇状をなす形状としたことにより、
燃料をシリンダ内に素早く分散させることができる。こ
の扁平扇形の噴霧は周囲空気を巻き込みやすいので、圧
縮行程で燃料を噴射すると圧縮によって高温となった空
気を素早く取り込み、気化、混合が早い。さらに、噴霧
の巻き込んだ空気は噴霧の運動量を奪うため、噴霧の飛
翔速度が低下し、噴霧長さが短くなる。このため、噴射
時期を早くしても燃料がシリンダ壁を濡らしたりするこ
とはなく、また、逆に遅くしてもピストン表面を液膜で
覆うことがない。
【００１１】機関低負荷運転時には、ピストン頂面上の
キャビティ内に燃料噴霧が噴射される。この噴霧は容易
に点火プラグに導かれ、可燃混合気を形成する。即ち、
噴霧はほぼ放射状に広がり、キャビティ壁面に衝突する
ので、噴霧が衝突する位置におけるキャビティ壁面の曲
率半径を（曲率半径）≦（燃料噴射弁の噴孔から点火プ
ラグ下方のキャビティ内壁までの距離）としておけば、
噴霧の衝突角が鈍角になり、扇状に開いた噴霧は点火プ
ラグ位置に集まって、少ない燃料でも効率よく燃焼させ
ることができる。また、キャビティ壁面の上方部がキャ
ビティ内に向けて突出せしめられているので、燃料はキ
ャビティ内から流出しない。その結果、消炎することが
なく、燃焼効率がよい。
キャビティ内に燃料噴霧が噴射される。この噴霧は容易
に点火プラグに導かれ、可燃混合気を形成する。即ち、
噴霧はほぼ放射状に広がり、キャビティ壁面に衝突する
ので、噴霧が衝突する位置におけるキャビティ壁面の曲
率半径を（曲率半径）≦（燃料噴射弁の噴孔から点火プ
ラグ下方のキャビティ内壁までの距離）としておけば、
噴霧の衝突角が鈍角になり、扇状に開いた噴霧は点火プ
ラグ位置に集まって、少ない燃料でも効率よく燃焼させ
ることができる。また、キャビティ壁面の上方部がキャ
ビティ内に向けて突出せしめられているので、燃料はキ
ャビティ内から流出しない。その結果、消炎することが
なく、燃焼効率がよい。
【００１２】以下、本発明の実施の形態を図に基づき説
明する。
明する。
【００１３】
【発明の実施の形態】図１ないし図４は、本発明の第１
の実施の形態について示したもので、燃料噴射弁は、弁
体２の基端面に穿設した弁孔６に針弁１を摺嵌し針弁１
の基端部にコイルバネ５を装着する。弁孔６の先端部に
は、針弁１の円錐状の先端部７が当接する円錐状の弁座
部８を設けると共に、弁座部８から弁体２の先端面に開
口するスリット状の噴孔４を設けてある。スリット状の
噴孔４と弁座部８の間には、サック部３を設け、針弁１
の円柱状の本体部と円錐状の先端部７との境界付近周り
に位置する弁体２に円環状の圧力室１２を形成する。弁
体２の基端部に穿設した燃料供給通路１１の先端部は、
圧力室１２の外周面に連通されている。針弁１と弁体２
の間には、圧力室１２に接続する環状の接続通路１３を
設ける。燃料供給通路１１と接続通路１３を経て針弁１
の先端部７に作用する燃料の圧力が上昇すると、針弁１
がコイルバネ５に抗して弁孔６の弁座部８から離脱す
る。
の実施の形態について示したもので、燃料噴射弁は、弁
体２の基端面に穿設した弁孔６に針弁１を摺嵌し針弁１
の基端部にコイルバネ５を装着する。弁孔６の先端部に
は、針弁１の円錐状の先端部７が当接する円錐状の弁座
部８を設けると共に、弁座部８から弁体２の先端面に開
口するスリット状の噴孔４を設けてある。スリット状の
噴孔４と弁座部８の間には、サック部３を設け、針弁１
の円柱状の本体部と円錐状の先端部７との境界付近周り
に位置する弁体２に円環状の圧力室１２を形成する。弁
体２の基端部に穿設した燃料供給通路１１の先端部は、
圧力室１２の外周面に連通されている。針弁１と弁体２
の間には、圧力室１２に接続する環状の接続通路１３を
設ける。燃料供給通路１１と接続通路１３を経て針弁１
の先端部７に作用する燃料の圧力が上昇すると、針弁１
がコイルバネ５に抗して弁孔６の弁座部８から離脱す
る。
【００１４】このため、本第１の実施の形態の燃料噴射
弁は、針弁１の先端部７と弁孔６の弁座部８との隙間を
経て圧力室１２が噴孔４に連通して開弁するように構成
されている。そして、燃料通路１１、圧力室１２、接続
通路１３および針弁１の先端部７と弁孔６の弁座部８の
間の隙間によって、開弁時にスリット状の噴孔４に燃料
を供給する通路を構成して成る。この針弁１は燃料圧力
の他、電磁力等を利用して直接引き上げて開弁すること
もできる。また、スリット状の噴孔４が弁体２の外周側
の外端１０と弁体２の内周側、すなわち、サック部３側
に内端９を有し、外端１０と内端９は直線状あるいは円
弧状の通路で構成されている。
弁は、針弁１の先端部７と弁孔６の弁座部８との隙間を
経て圧力室１２が噴孔４に連通して開弁するように構成
されている。そして、燃料通路１１、圧力室１２、接続
通路１３および針弁１の先端部７と弁孔６の弁座部８の
間の隙間によって、開弁時にスリット状の噴孔４に燃料
を供給する通路を構成して成る。この針弁１は燃料圧力
の他、電磁力等を利用して直接引き上げて開弁すること
もできる。また、スリット状の噴孔４が弁体２の外周側
の外端１０と弁体２の内周側、すなわち、サック部３側
に内端９を有し、外端１０と内端９は直線状あるいは円
弧状の通路で構成されている。
【００１５】ここで、スリット状噴孔４における内端９
の幅（対向間距離）Ｗの範囲は、０．０５mm以上で０．
２４mm以下である。最適の数値範囲は、０．０６mm以上
で０．２０mm以下である。これにより、スリット状噴孔
４から噴射された燃料が扁平で扇形の形状となり、この
液膜がスリット状噴孔４から遠ざかるに従って、その厚
みを減少し、周囲空気との接触面積を増大して、周囲空
気によって液膜が引きちぎられ、急速に微細な噴霧へと
変化する。このようにして得られる噴霧の平均粒径ｄｓ
と幅Ｗの関係を図５に示す。図５に明らかなように幅Ｗ
が大きくなると平均粒径ｄｓが大きくなるのである。こ
れは幅Ｗが大きくなると噴射された燃料液膜の厚さも厚
くなるからである。図５は幾多の実験等から得られた結
果であるが、図５から明らかなように、幅Ｗが０．２４
mm以上になると噴霧の平均粒径ｄｓは急激に大きくな
る。そして、噴霧の平均粒径ｄｓがほぼ一様な値に保た
れる幅Ｗは０．０６mm以上で、０．２０mm以下である。
の幅（対向間距離）Ｗの範囲は、０．０５mm以上で０．
２４mm以下である。最適の数値範囲は、０．０６mm以上
で０．２０mm以下である。これにより、スリット状噴孔
４から噴射された燃料が扁平で扇形の形状となり、この
液膜がスリット状噴孔４から遠ざかるに従って、その厚
みを減少し、周囲空気との接触面積を増大して、周囲空
気によって液膜が引きちぎられ、急速に微細な噴霧へと
変化する。このようにして得られる噴霧の平均粒径ｄｓ
と幅Ｗの関係を図５に示す。図５に明らかなように幅Ｗ
が大きくなると平均粒径ｄｓが大きくなるのである。こ
れは幅Ｗが大きくなると噴射された燃料液膜の厚さも厚
くなるからである。図５は幾多の実験等から得られた結
果であるが、図５から明らかなように、幅Ｗが０．２４
mm以上になると噴霧の平均粒径ｄｓは急激に大きくな
る。そして、噴霧の平均粒径ｄｓがほぼ一様な値に保た
れる幅Ｗは０．０６mm以上で、０．２０mm以下である。
【００１６】また、本噴射弁は噴霧角が大きいので、従
来のホールノズルに対して噴霧長さを短くできる利点が
ある。火花点火機関はシリンダ径の小さいものが多いの
で、ノズルから壁までの距離が短い。壁面を燃料でぬら
さないために、噴霧長さは適度に短い方がよい。噴霧は
運動量をほぼ保って成長する。本発明の第１の実施の形
態のノズルは、幅Ｗを決めれば、単位噴霧角当たりの運
動量は決まるので、噴霧角を変えても噴霧長さは変化し
ないが、流量当たりの噴霧長さは噴霧角を大きくとるこ
とで、噴霧長さは小さくなる。エンジンでは噴射期間に
制限があるため流量当たりの噴霧長さが重要である。図
６は、噴霧長さを同一流量を持つホールノズルと比較し
たものである。噴霧角を大きくするほど噴霧長さは短く
なり、例えば、噴霧角を９０度にすると、その噴霧長さ
は従来の単孔ホールノズルの半分以下である。５孔ホー
ルノズルと比較しても７０％である。ここでは、一つの
扇形噴霧と比較したが、スリットを複数設ければ、さら
に短くできる。
来のホールノズルに対して噴霧長さを短くできる利点が
ある。火花点火機関はシリンダ径の小さいものが多いの
で、ノズルから壁までの距離が短い。壁面を燃料でぬら
さないために、噴霧長さは適度に短い方がよい。噴霧は
運動量をほぼ保って成長する。本発明の第１の実施の形
態のノズルは、幅Ｗを決めれば、単位噴霧角当たりの運
動量は決まるので、噴霧角を変えても噴霧長さは変化し
ないが、流量当たりの噴霧長さは噴霧角を大きくとるこ
とで、噴霧長さは小さくなる。エンジンでは噴射期間に
制限があるため流量当たりの噴霧長さが重要である。図
６は、噴霧長さを同一流量を持つホールノズルと比較し
たものである。噴霧角を大きくするほど噴霧長さは短く
なり、例えば、噴霧角を９０度にすると、その噴霧長さ
は従来の単孔ホールノズルの半分以下である。５孔ホー
ルノズルと比較しても７０％である。ここでは、一つの
扇形噴霧と比較したが、スリットを複数設ければ、さら
に短くできる。
【００１７】本発明の第１の実施の形態においては、か
かる燃料噴射弁を図７、図８に示す内燃機関に配設す
る。内燃機関は吸気ポート２７、吸気弁２８、点火プラ
グ３０および図示しない排気ポート、排気弁を備えたシ
リンダヘッド２５、シリンダ２４とシリンダ２４に対し
て往復動可能に挿入されたピストン２１で構成されてい
る。ピストン２１には側面にピストンリング２９が複数
設けられていて燃焼室３１からのガスの吹き抜けを防止
している。燃料噴射弁２３はシリンダヘッド２５の吸気
弁２８側にノズル先端２３ａが略シリンダ中心軸に向か
うよう傾斜して取り付けられている。本第１の実施の形
態は、吸気２弁であり、燃料噴射弁２３は吸気弁２８の
間にある。そして、噴霧流をシリンダ２４の中心軸を含
む面内においては扁平に、云い換えると噴射軸線に沿っ
てみたときには扁平に、シリンダ２４の中心軸にほぼ直
角な面内においては扇形、云い換えるとシリンダ中心軸
に沿ってみたときには扇形に拡開するように噴出せしめ
るが、噴霧中心が直接点火プラグ３０に当たらぬよう、
やや下方に噴出する。噴射方向はエンジンによって異な
るが、概ねシリンダ下方２０度から６０度の範囲であ
る。
かる燃料噴射弁を図７、図８に示す内燃機関に配設す
る。内燃機関は吸気ポート２７、吸気弁２８、点火プラ
グ３０および図示しない排気ポート、排気弁を備えたシ
リンダヘッド２５、シリンダ２４とシリンダ２４に対し
て往復動可能に挿入されたピストン２１で構成されてい
る。ピストン２１には側面にピストンリング２９が複数
設けられていて燃焼室３１からのガスの吹き抜けを防止
している。燃料噴射弁２３はシリンダヘッド２５の吸気
弁２８側にノズル先端２３ａが略シリンダ中心軸に向か
うよう傾斜して取り付けられている。本第１の実施の形
態は、吸気２弁であり、燃料噴射弁２３は吸気弁２８の
間にある。そして、噴霧流をシリンダ２４の中心軸を含
む面内においては扁平に、云い換えると噴射軸線に沿っ
てみたときには扁平に、シリンダ２４の中心軸にほぼ直
角な面内においては扇形、云い換えるとシリンダ中心軸
に沿ってみたときには扇形に拡開するように噴出せしめ
るが、噴霧中心が直接点火プラグ３０に当たらぬよう、
やや下方に噴出する。噴射方向はエンジンによって異な
るが、概ねシリンダ下方２０度から６０度の範囲であ
る。
【００１８】ピストン２１の頂面２１ａにはノズル先端
２３ａと点火プラグ３０をほぼ両端としたキャビティ２
２を燃焼室３１に開口せしめて形成する。キャビティ２
２は圧縮上死点で点火プラグ３０のギャップ３０ａが概
略シリンダヘッド２５とキャビティ２２底面の略中心に
なる深さとしてある。また、キャビティ２２の幅は、噴
霧先端がシリンダ中心に達したとき、シリンダ中心軸に
垂直な平面に投影した噴霧の幅以上の大きさがある。す
なわち、このときの燃焼室内空間にある噴霧はピストン
２１の上昇によってキャビティ２２内に収まる。また、
図９に示されるようにキャビティ２２壁面のうち、少な
くとも点火プラグ３０側はキャビティ２２に対して凹の
曲率を持っている。そして、その曲率半径Ｒは（曲率半
径Ｒ）≦（燃料噴射弁２３の噴孔からキャビティ壁面ま
での距離Ｌ）としてある。
２３ａと点火プラグ３０をほぼ両端としたキャビティ２
２を燃焼室３１に開口せしめて形成する。キャビティ２
２は圧縮上死点で点火プラグ３０のギャップ３０ａが概
略シリンダヘッド２５とキャビティ２２底面の略中心に
なる深さとしてある。また、キャビティ２２の幅は、噴
霧先端がシリンダ中心に達したとき、シリンダ中心軸に
垂直な平面に投影した噴霧の幅以上の大きさがある。す
なわち、このときの燃焼室内空間にある噴霧はピストン
２１の上昇によってキャビティ２２内に収まる。また、
図９に示されるようにキャビティ２２壁面のうち、少な
くとも点火プラグ３０側はキャビティ２２に対して凹の
曲率を持っている。そして、その曲率半径Ｒは（曲率半
径Ｒ）≦（燃料噴射弁２３の噴孔からキャビティ壁面ま
での距離Ｌ）としてある。
【００１９】ピストン２１が吸気を完了した下死点位置
から上死点に向かう圧縮行程で燃焼室３１内に空気は圧
縮される。この圧縮過程において噴射弁２３の噴孔から
燃料を噴出せしめると、噴霧粒群は図示のように、シリ
ンダ中心軸とノズル２３ａを含む平面に投影したときに
は扁平に、シリンダ中心軸に垂直な平面に投影したとき
には扇状に、かつ点火プラグ３０に対して略対称に飛散
する。燃料は噴孔を出た後、急速に広がるので、シリン
ダ２４の壁に高速で噴霧粒が衝突したり、キャビティ２
２の壁面を多量の液状噴霧で濡らすことはない。また、
扁平な形状のため、周囲の高温空気と素早く混合するの
で、蒸発のために顕熱、潜熱をとられても噴霧内の混合
気温度はさほど下がらない。噴霧はキャビティ２２の壁
面によってキャビティ２２の上方、内側に向かって巻き
上がる流れとなる。これとピストン２１の上昇が相まっ
て圧縮上死点前には可燃混合気が点火プラグ３０周りに
形成される。点火プラグ３０により点火された火炎は火
炎伝播により燃焼する。
から上死点に向かう圧縮行程で燃焼室３１内に空気は圧
縮される。この圧縮過程において噴射弁２３の噴孔から
燃料を噴出せしめると、噴霧粒群は図示のように、シリ
ンダ中心軸とノズル２３ａを含む平面に投影したときに
は扁平に、シリンダ中心軸に垂直な平面に投影したとき
には扇状に、かつ点火プラグ３０に対して略対称に飛散
する。燃料は噴孔を出た後、急速に広がるので、シリン
ダ２４の壁に高速で噴霧粒が衝突したり、キャビティ２
２の壁面を多量の液状噴霧で濡らすことはない。また、
扁平な形状のため、周囲の高温空気と素早く混合するの
で、蒸発のために顕熱、潜熱をとられても噴霧内の混合
気温度はさほど下がらない。噴霧はキャビティ２２の壁
面によってキャビティ２２の上方、内側に向かって巻き
上がる流れとなる。これとピストン２１の上昇が相まっ
て圧縮上死点前には可燃混合気が点火プラグ３０周りに
形成される。点火プラグ３０により点火された火炎は火
炎伝播により燃焼する。
【００２０】このとき、キャビティ２２とピストン頂面
２１ａによるスキッシュ流により、混合気はキャビティ
２２内に収まり、燃焼室外への飛散が避けられるので、
点火プラグ３０によって形成した火炎はキャビティ２２
内に発達する。したがって失火や消炎の心配がない。さ
らに、本発明の第１の実施の形態における噴霧は、扇状
の噴霧であるから、濃度むらが小さく、火炎伝播が途切
れることがないことも失火や消炎に対して有利である。
負荷の変化に対しては、噴射量の少ない低負荷の時は、
噴射時期を遅くし、燃料が拡散しないうちに点火する。
一方、噴射量の多い高負荷の時は、噴射時期を早くし、
過濃な混合気が点火プラグ３０に集まりすぎることを避
けるのが良い。
２１ａによるスキッシュ流により、混合気はキャビティ
２２内に収まり、燃焼室外への飛散が避けられるので、
点火プラグ３０によって形成した火炎はキャビティ２２
内に発達する。したがって失火や消炎の心配がない。さ
らに、本発明の第１の実施の形態における噴霧は、扇状
の噴霧であるから、濃度むらが小さく、火炎伝播が途切
れることがないことも失火や消炎に対して有利である。
負荷の変化に対しては、噴射量の少ない低負荷の時は、
噴射時期を遅くし、燃料が拡散しないうちに点火する。
一方、噴射量の多い高負荷の時は、噴射時期を早くし、
過濃な混合気が点火プラグ３０に集まりすぎることを避
けるのが良い。
【００２１】第１の実施の形態の内燃機関では、噴射時
期を遅らせたとき、図９、図１０に示すように、噴霧は
比較的早くキャビティ２２に衝突するが、噴霧が扁平
で、かつキャビティ２２の底面に対しては扇状の形をし
ているため、ピストン２１、および空気から有効に熱を
もらい、すばやく気化混合できる。したがって、噴射か
ら点火までの時間を短くした燃焼が可能である。さら
に、キャビティの曲率Ｒを（曲率半径Ｒ）≦（ノズル先
端からキャビティ壁面までの距離Ｌ）としておくと、こ
の曲率Ｒのキャビティ壁面に沿って点火プラグ３０に燃
料が集まるため、より少ない燃料で運転が可能である。
一方、噴射時期を早めたとき、本第１の実施の形態の噴
霧は噴霧長さが短いために、キャビティに衝突するまで
の時間が長くなるが、噴霧は扇状に分散し、かつ扁平な
ため周囲の空気から有効に熱をもらい、気化混合が遅れ
ることはない。そして、図１１に示すように、初期に噴
射された燃料はキャビティ２２に衝突後、空中で拡散す
るので、点火プラグ３０に過濃な混合気が集まることな
く、安定な点火が可能となる。
期を遅らせたとき、図９、図１０に示すように、噴霧は
比較的早くキャビティ２２に衝突するが、噴霧が扁平
で、かつキャビティ２２の底面に対しては扇状の形をし
ているため、ピストン２１、および空気から有効に熱を
もらい、すばやく気化混合できる。したがって、噴射か
ら点火までの時間を短くした燃焼が可能である。さら
に、キャビティの曲率Ｒを（曲率半径Ｒ）≦（ノズル先
端からキャビティ壁面までの距離Ｌ）としておくと、こ
の曲率Ｒのキャビティ壁面に沿って点火プラグ３０に燃
料が集まるため、より少ない燃料で運転が可能である。
一方、噴射時期を早めたとき、本第１の実施の形態の噴
霧は噴霧長さが短いために、キャビティに衝突するまで
の時間が長くなるが、噴霧は扇状に分散し、かつ扁平な
ため周囲の空気から有効に熱をもらい、気化混合が遅れ
ることはない。そして、図１１に示すように、初期に噴
射された燃料はキャビティ２２に衝突後、空中で拡散す
るので、点火プラグ３０に過濃な混合気が集まることな
く、安定な点火が可能となる。
【００２２】また、さらに負荷が上がって、全負荷に近
いときには圧縮行程に限らず、吸気行程に燃料を噴射す
ることも可能である。このとき噴霧は噴霧長さの短い、
低貫徹力の噴霧であるから、ピストン２１が下がっても
シリンダ２４の壁面を濡らすことはないうえ、吸気流動
に乗ってシリンダ内に分散し、空気利用度が高くなる。
本発明の第１の実施の形態の内燃機関は、このように負
荷の大小に関わらず、点火プラグ３０には安定した可燃
混合気が形成されることになり、負荷変動の大きい例え
ば、自動車用内燃機関としては優れた性能を供する。
いときには圧縮行程に限らず、吸気行程に燃料を噴射す
ることも可能である。このとき噴霧は噴霧長さの短い、
低貫徹力の噴霧であるから、ピストン２１が下がっても
シリンダ２４の壁面を濡らすことはないうえ、吸気流動
に乗ってシリンダ内に分散し、空気利用度が高くなる。
本発明の第１の実施の形態の内燃機関は、このように負
荷の大小に関わらず、点火プラグ３０には安定した可燃
混合気が形成されることになり、負荷変動の大きい例え
ば、自動車用内燃機関としては優れた性能を供する。
【００２３】〔第２の実施の形態〕本発明の第２の実施
の形態例は、図１２のように、キャビティ２２の縦壁面
をＲ形状とし、ピストン頂面２１ａがキャビティ２２の
内壁より飛び出すリップ形状を有するようにしたもので
ある。その他の燃料噴射弁２３、噴霧形状、ピストン２
１などは第１の実施例と同様である。
の形態例は、図１２のように、キャビティ２２の縦壁面
をＲ形状とし、ピストン頂面２１ａがキャビティ２２の
内壁より飛び出すリップ形状を有するようにしたもので
ある。その他の燃料噴射弁２３、噴霧形状、ピストン２
１などは第１の実施例と同様である。
【００２４】上記構成からなる本発明の第２の実施の形
態例は、第１の実施の形態例と同様、噴霧がキャビティ
２２の壁面に衝突後、上方へ方向を変えるが、キャビテ
ィ２２の壁面はＲ形状（曲率半径ｒ1 ）をしているた
め、燃料はキャビティ２２の内側に向かって巻き上がる
流れとなる。このため、燃料はキャビティ２２外側に流
出することがより少なくなり、点火後火炎がキャビティ
２２外側に出て冷やされ消炎することが少ない。また、
スキッシュ流と複合して強い乱れをつくるため燃焼期間
が短縮されるなどの利点を有する。
態例は、第１の実施の形態例と同様、噴霧がキャビティ
２２の壁面に衝突後、上方へ方向を変えるが、キャビテ
ィ２２の壁面はＲ形状（曲率半径ｒ1 ）をしているた
め、燃料はキャビティ２２の内側に向かって巻き上がる
流れとなる。このため、燃料はキャビティ２２外側に流
出することがより少なくなり、点火後火炎がキャビティ
２２外側に出て冷やされ消炎することが少ない。また、
スキッシュ流と複合して強い乱れをつくるため燃焼期間
が短縮されるなどの利点を有する。
【００２５】〔第３の実施の形態〕本発明の第３の実施
の形態例は、キャビティ２２を２段とし、図１３、図１
４に示すように浅いキャビティ２２ｂの内側にさらにキ
ャビティ２２ａを形成したものである。その他の燃料噴
射弁２３、噴霧形状、ピストン２１などは第１の実施の
形態例と同様である。
の形態例は、キャビティ２２を２段とし、図１３、図１
４に示すように浅いキャビティ２２ｂの内側にさらにキ
ャビティ２２ａを形成したものである。その他の燃料噴
射弁２３、噴霧形状、ピストン２１などは第１の実施の
形態例と同様である。
【００２６】本発明の第３の実施の形態例のキャビティ
２２を用いれば、低負荷時にはより燃料を点火プラグ３
０に集め、高負荷時にはより燃料を拡散させて燃焼させ
ることができる。すなわち、図１５、図１６に示すよう
に小噴射量時に噴射時期を遅らせると、噴射した燃料は
内側のキャビティ２２ｂに入り、その内壁面を通って上
方に曲げられ点火プラグ３０にいたる。そのため、燃料
が過度に分散することなく、点火プラグ３０に集中し、
非常に少ない燃料でも点火、燃焼が可能となる。一方、
高負荷時には噴射時期を早める。このため、燃料は図１
７、図１８に示すように、外側の大きいキャビティ２２
ｂと内側のキャビティ２２ａに分けられる。外側のキャ
ビティ２２ｂは第１の実施例のように上方内側に曲げら
れて点火プラグ３０にいたるが、内側のキャビティ２２
ａの燃料は下側に曲げられ、点火プラグ３０にいたるこ
となく、キャビティ２２内に分散する。これによって点
火プラグ３０には負荷の大小に関わらず、安定した可燃
混合気が形成されることになり、負荷変動の大きい例え
ば自動車用内燃機関としては優れた性能を供する。
２２を用いれば、低負荷時にはより燃料を点火プラグ３
０に集め、高負荷時にはより燃料を拡散させて燃焼させ
ることができる。すなわち、図１５、図１６に示すよう
に小噴射量時に噴射時期を遅らせると、噴射した燃料は
内側のキャビティ２２ｂに入り、その内壁面を通って上
方に曲げられ点火プラグ３０にいたる。そのため、燃料
が過度に分散することなく、点火プラグ３０に集中し、
非常に少ない燃料でも点火、燃焼が可能となる。一方、
高負荷時には噴射時期を早める。このため、燃料は図１
７、図１８に示すように、外側の大きいキャビティ２２
ｂと内側のキャビティ２２ａに分けられる。外側のキャ
ビティ２２ｂは第１の実施例のように上方内側に曲げら
れて点火プラグ３０にいたるが、内側のキャビティ２２
ａの燃料は下側に曲げられ、点火プラグ３０にいたるこ
となく、キャビティ２２内に分散する。これによって点
火プラグ３０には負荷の大小に関わらず、安定した可燃
混合気が形成されることになり、負荷変動の大きい例え
ば自動車用内燃機関としては優れた性能を供する。
【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料噴射弁
を示す縦断面図である。
を示す縦断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における燃料噴射弁
を示す縦断面図である。
を示す縦断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における燃料噴射弁
の噴霧状態を示す縦断面図である。
の噴霧状態を示す縦断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態における燃料噴射弁
の噴霧状態を示す縦断面図である。
の噴霧状態を示す縦断面図である。
【図５】第１の実施の形態における燃料噴射弁の噴霧の
平均粒径と幅との関係を示す線図である。
平均粒径と幅との関係を示す線図である。
【図６】第１の実施の形態における燃料噴射弁の噴霧角
と噴霧長さの比の関係を示す線図である。
と噴霧長さの比の関係を示す線図である。
【図７】第１の実施の形態における内燃機関を示す平面
図である。
図である。
【図８】第１の実施の形態における内燃機関を示す縦断
面図である。
面図である。
【図９】第１の実施の形態における内燃機関の噴霧状態
を示す平面図である。
を示す平面図である。
【図１０】第１の実施の形態における内燃機関の噴霧状
態を示す縦断面図である。
態を示す縦断面図である。
【図１１】第１の実施の形態における内燃機関の噴霧状
態を示す縦断面図である。
態を示す縦断面図である。
【図１２】第２の実施の形態における内燃機関における
ピストンの部分断面図である。
ピストンの部分断面図である。
【図１３】第３の実施の形態における内燃機関を示す平
面図である。
面図である。
【図１４】第３の実施の形態における内燃機関を示す縦
断面図である。
断面図である。
【図１５】第３の実施の形態における内燃機関の噴霧状
態を示す平面図である。
態を示す平面図である。
【図１６】第３の実施の形態における内燃機関の噴霧状
態を示す縦断面図である。
態を示す縦断面図である。
【図１７】第３の実施の形態における内燃機関の噴霧状
態を示す平面図である。
態を示す平面図である。
【図１８】第３の実施の形態における内燃機関の噴霧状
態を示す縦断面図である。
態を示す縦断面図である。
１…針弁 ２…弁体 ３…サック部 ４…噴孔 ５…コイルバネ ６…弁孔 ７…先端部 ８…弁座部 ９…内端 １０…外端 ２１…ピストン ２２，２２ａ，２２ｂ…キャビティ ２３…燃料噴射弁 ２４…シリンダ ３０…点火プラグ ３１…燃焼室
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−1544（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−78562（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−317542（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−30528（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−122123（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−173416（ＪＰ，Ｕ) 実開 平２−43425（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02B 23/10
Claims (5)
- 【請求項１】 燃料噴射弁から燃焼室内に噴射された燃
料を点火プラグにより着火せしめるようにした火花点火
式内燃機関において、シリンダヘッド内壁面の中央部に
点火プラグを配置すると共にシリンダヘッド内壁面の周
縁部に燃料噴射弁を配置し、ピストン頂面上に燃料噴射
弁の下方から点火プラグの下方まで延びるキャビティを
形成し、該キャビティが、点火プラグ側のキャビティの
端部においてキャビティの底面から上方に延びかつ燃料
噴射弁とシリンダ中心軸とを含む平面に対して横方向に
延びる壁面を具備すると共に該キャビティの壁面がピス
トン頂面に沿って燃料噴射弁下方のキャビティ内の点を
中心とする円弧状に延びており、円弧状に延びる該キャ
ビティ壁面の曲率半径が燃料噴射弁の噴孔から点火プラ
グの下方に位置する該キャビティ壁面までの距離と同じ
か又は小さくされており、該キャビティ壁面はその上方
部がキャビティ内に向けて突出するように傾斜せしめら
れており、燃料噴射弁からは噴射軸線に沿ってみたとき
には扁平をなしかつシリンダ中心軸に沿ってみたときに
は扇状をなす燃料噴霧が噴射され、機関低負荷運転時に
は該燃料噴霧をその全体がキャビティの底面に向かうよ
うに噴射して燃料噴霧をキャビティ内に分散させ、次い
でキャビティ内に分散した燃料噴霧を上記キャビティ壁
面によりキャビティの上方、内側に向けて巻き上げるこ
とにより点火プラグの周りに集め、次いで点火プラグ周
りに集められた燃料噴霧を点火プラグにより着火するよ
うにした火花点火式内燃機関。 - 【請求項２】 上記キャビティ壁面の縦断面形状が円弧
状をなす請求項１に記載の火花点火式内燃機関。 - 【請求項３】 キャビティの底面が平坦に形成されてい
る請求項１に記載の火花点火式内燃機関。 - 【請求項４】 機関負荷が高くなるにつれて燃料噴射時
期が早められる請求項１に記載の火花点火式内燃機関。 - 【請求項５】 燃料噴射弁の噴孔がスリット状をなす請
求項１に記載の火花点火式内燃機関。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31503798A JP3330336B2 (ja) | 1995-12-06 | 1998-11-05 | 火花点火式内燃機関 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31503798A JP3330336B2 (ja) | 1995-12-06 | 1998-11-05 | 火花点火式内燃機関 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP34527995A Division JP3301013B2 (ja) | 1995-12-06 | 1995-12-06 | 火花点火式燃焼方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11223127A JPH11223127A (ja) | 1999-08-17 |
| JP3330336B2 true JP3330336B2 (ja) | 2002-09-30 |
Family
ID=18060672
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31503798A Expired - Lifetime JP3330336B2 (ja) | 1995-12-06 | 1998-11-05 | 火花点火式内燃機関 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3330336B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3852310B2 (ja) | 2000-08-07 | 2006-11-29 | トヨタ自動車株式会社 | 筒内噴射式火花点火内燃機関 |
| JP2003106153A (ja) * | 2001-09-28 | 2003-04-09 | Mazda Motor Corp | 火花点火式直噴エンジンのピストン構造 |
| JP4054223B2 (ja) | 2002-06-12 | 2008-02-27 | 富士重工業株式会社 | 筒内噴射型エンジンおよび筒内噴射型エンジンの制御方法 |
| DE10354827A1 (de) * | 2003-11-24 | 2005-06-23 | Robert Bosch Gmbh | Brennstoffeinspritzsystem |
| JP6217580B2 (ja) * | 2014-09-30 | 2017-10-25 | マツダ株式会社 | エンジンの燃料制御装置 |
| JP2016121563A (ja) * | 2014-12-24 | 2016-07-07 | 三菱自動車工業株式会社 | 筒内噴射式エンジン用ピストン |
-
1998
- 1998-11-05 JP JP31503798A patent/JP3330336B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11223127A (ja) | 1999-08-17 |
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