JP3550917B2 - 筒内直接噴射式火花点火エンジン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて燃焼室の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
点火プラグの近傍に燃料を集める混合気の成層化をはかるため、シリンダ内にインジェクタ（燃料噴射弁）を臨ませ、シリンダ内に直接に燃料を噴射するようにした筒内直接噴射式火花点火エンジンがある。
【０００３】
従来の筒内直接噴射式火花点火エンジンとして、例えば特開平６−８１６５１号公報に開示しているように、吸気ポートをシリンダ壁に沿って直立させるものがある。
【０００４】
直立した吸気ポートからシリンダ内に流入した吸気は、シリンダ壁に沿って下降した後、ピストン冠部に沿って旋回する逆タンブルを生起する。
【０００５】
インジェクタからシリンダ内に噴射された燃料は、この逆タンブルによって旋回する過程で、その微粒化および気化が進み、点火プラグに液状燃料が付着することを防止し、失火を無くして安定した燃焼性が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の筒内直接噴射式火花点火エンジンにあっては、直立した吸気ポートがシリンダヘッドの上部に貫通して設けられる構造のため、インテークマニホールドをシリンダヘッドの上部に接続する必要があり、エンジンの全高が大きくなるという問題点が考えられる。
【０００７】
また、シリンダヘッドに直立する吸気ポートを備えるため、シリンダヘッドの燃焼室壁のまわりに形成されるウォータジャケットの配置自由度が小さくなるという問題点が考えられる。
【０００８】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、筒内直接噴射式火花点火エンジンに適した燃焼室構造を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、
シリンダ内に吸気を導入する吸気ポートと、
シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタと、
シリンダ内の混合気に点火する点火プラグと、
シリンダ内から排気を排出する排気ポートと、
を備える筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、
吸気ポートからシリンダ内に流入する吸気に、シリンダの中心線を中心に旋回するスワールを生起するスワール生起手段を備え、
前記シリンダの中心線を含みクランクシャフトの回転中心軸と直交する平面をシリンダ中心面とした場合、前記インジェクタを吸気バルブの側方で、かつ前記シリンダ中心面上に配置し、
ピストンの冠部には、前記シリンダ中心面について対称的に、かつシリンダ中心線についてインジェクタ側に偏心した位置に、皿状に窪むキャビティが形成され、キャビティはシリンダ中心線と直交する平面状をした底面と、底面の外周から逆円錐面状に拡がるキャビティ側壁とにより画成され、
前記インジェクタは燃料噴霧の中心線が前記シリンダ中心面に配置され、前記キャビティに向けて燃料噴霧を円錐状に噴射するようになっている
ことを特徴とする。
請求項２に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１の発明において、前記点火プラグをシリンダ中心面Ｃ上に配置し、点火プラグをキャビティに対してインジェクタから最も離れた位置に臨ませる。
請求項３に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１または２の発明において、前記シリンダの中心線Ｏに対する前記キャビティの側壁の傾斜角度を０°から４５°の範囲に設定する。
請求項４に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１〜３の発明において、前記ピストンの冠部から隆起する凸部を形成し、凸部の稜線を点火プラグに近づけて配置する。
請求項５に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１〜４の発明において、前記ピストンとの間で燃焼室を画成する燃焼室天井壁を吸気ポートが開口する吸気ポート側傾斜面と排気ポートが開口する排気ポート側傾斜面によって構成し、ピストンの冠部を燃焼室天井壁に沿うように傾斜させて形成する。
請求項６に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１〜５の発明において、前記インジェクタから噴射される燃料噴霧をその頂角が４０°から８０°の範囲にある円錐状に拡がる構成とし、円錐状に拡がる燃料噴霧がキャビティ内に納まる構成とする。
請求項７に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１〜６の発明において、前記インジェクタから噴射される燃料噴霧を円錐状に拡がる構成とし、円錐状に拡がる燃料噴霧が前記点火プラグに当たらない構成とする。
請求項８に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１〜７の発明において、スワール比を略３以上に設定し、スワール比をタンブル比の略１．５倍以上に設定する。
請求項９に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１〜８の発明において、前記キャビティの側壁にキャビティ内で旋回する燃料噴霧を点火プラグの近傍に案内するガイド部を形成する。
請求項１０に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１〜９の発明において、前記インジェクタの燃料噴射時期を高負荷時に吸気行程に設定し、インジェクタの燃料噴射時期を低負荷時に圧縮行程に設定したことを特徴とする。
【００２０】
【発明の作用および効果】
請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、吸気バルブが開かれるのに伴って吸気ポートからシリンダ内に空気が吸入される。吸気ポートを通ってシリンダ内に吸入される吸気には、シリンダの中心線Ｏを中心として旋回するスワールが生起される。
【００２１】
例えば希薄空燃比で運転されるリーンバーン領域にて、ピストンが上昇する圧縮行程においてインジェクタが開弁し、燃焼室に燃料が噴射される。吸気ポートを通ってシリンダ内に吸入された空気がピストンで圧縮された状態で、点火プラグを介して燃料を着火燃焼させる。
【００２２】
ピストンが上昇する圧縮行程においてインジェクタから噴射される燃料噴霧は、吸気ポートにおける吸気の流れ方向に噴射され、スワールによってキャビティ内に集められる。キャビティ内に集められた燃料噴霧は、ピストンによって加熱され、その微粒化および気化が進み、高濃度の混合気がキャビティ内に溜まる。
【００２３】
ピストンが上死点に近づくのにしたがって、キャビティ内の高濃度の混合気に点火プラグが近づき、混合気の成層化がはかれる。こうして燃料を点火プラグの近傍に集中させることにより、着火が確実に行われ、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大することができる。シリンダに供給される混合気の空燃比を希薄化することにより、エンジンのポンピング損失を低減し、燃費の低減がはかれる。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。
【００２４】
インジェクタから噴射される燃料は、ピストンの冠部に窪むキャビティに拡がることにより、ピストンの冠部に当たって点火プラグに跳ね返ることが抑えられ、点火プラグに液状燃料が直接的に付着することが防止され、失火を起こすことを回避できる。
【００２５】
吸気ポートをシリンダ壁に沿って直立させる必要がなく、インテークマニホールドの取付け位置が高くなることを抑えられ、エンジンのコンパクト化がはかれる。また、シリンダヘッドの燃焼室壁のまわりに冷却水を循環させるウォータジャケットの配置自由度が高まり、エンジンの冷却性を高められる。
さらに、キャビティをシリンダ中心面Ｃについて対称的に形成し、インジェクタの燃料噴射方向をシリンダ中心面Ｃ上に配置することにより、濃混合気をキャビティを介して点火プラグの近接に集められる。この結果、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００２７】
請求項２に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、点火プラグをシリンダ中心面Ｃ上に配置し、点火プラグをキャビティに対してインジェクタから最も離れた位置に臨ませることにより、濃混合気を点火プラグの近傍へと有効に集められる。この結果、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００２８】
請求項３に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、キャビティをピストンの冠部に対して皿状に窪ませ、シリンダの中心線Ｏに対するキャビティの側壁の傾斜角度を０°から４５°の範囲に設定することにより、濃混合気をキャビティを介して点火プラグの近傍へと有効に集められる。この結果、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００２９】
請求項４に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、ピストンの冠部から隆起する凸部を形成し、凸部の稜線を点火プラグに近づけて配置することにより、キャビティの側壁高さが点火プラグの近傍で大きくなり、濃混合気をキャビティを介して点火プラグの近傍へと有効に集められる。この結果、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００３０】
請求項５に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、ピストンの冠部を燃焼室天井壁に沿うように傾斜させて形成することにより、ピストンが上死点に到達するとき、ピストンの冠部と燃焼室天井壁の間に画成される燃焼室の容積をキャビティに集中させて、高い圧縮比が得られ、エンジンの高出力化がはかれる。
【００３１】
請求項６に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、インジェクタから円錐状に拡がる燃料噴霧がキャビティ内に納まる構成としたため、濃混合気をキャビティを介して点火プラグの近傍へと有効に集められる。この結果、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００３２】
請求項７に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、インジェクタから円錐状に拡がる燃料噴霧が点火プラグに当たらない構成としたため、失火を起こすことを防止し、サイクル変動に影響されない安定した燃焼性が確保され、排気性能の向上がはかれる。
【００３３】
請求項８に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、スワール比を略３以上に設定し、スワール比をタンブル比の略１．５倍以上に設定することにより、濃混合気をキャビティを介して点火プラグの近傍へと有効に集められる。この結果、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００３４】
請求項９に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、キャビティの側壁にキャビティ内で旋回する燃料噴霧を点火プラグの近傍に案内するガイド部を形成したため、濃混合気をキャビティを介して点火プラグの近傍へと有効に集められる。この結果、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００３５】
請求項１０に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、低負荷時ではピストンが上昇する圧縮行程にインジェクタからに燃料が噴射され、濃混合気をキャビティを介して点火プラグの近傍へと有効に集められる。この結果、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００３６】
高負荷時では、ピストンが下降する吸入行程にインジェクタから燃料が噴射され、点火時期を迎えるまでに燃焼室に均質な混合気が形成され、サイクル変動に影響されない安定した燃焼性が確保され、出力の向上がはかれる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００３８】
図１、図３に示すように、シリンダヘッドに形成された燃焼室天井壁２０とピストン１の間に燃焼室３が画成される。ピストン１のシリンダ５における往復運動はコンロッド（図示せず）を介してクランクシャフト（図示せず）の連続回転運動に変換される。
【００３９】
ペントルーフ型に傾斜する燃焼室天井壁２０には２本に分岐する吸気ポート２１と２本の排気ポート（図示せず）が互いに対向して開口している。すなわち、燃焼室天井壁２０は、各吸気ポート２１が開口する吸気ポート側傾斜面２３と各排気ポートが開口する排気ポート側傾斜面２４によって構成される。
【００４０】
図１において、線分Ｏはシリンダ５の中心線である。点火プラグ４はシリンダ５の中心線Ｏと同軸上に配置され、各吸気バルブ７と各排気バルブの間に位置して燃焼室３に臨んでいる。点火プラグ４を挟むようにして２つの吸気バルブ７と２つの排気バルブ（図示せず）が互いに対向して設けられる。図１において、Ｉは吸気バルブ７の中心線であり、Ｅは排気バルブの中心線である。
【００４１】
スワール生起手段として、一方の吸気ポート２１からシリンダ５内に導入される吸気量を調節するコントロールバルブ２６が設けられる。
【００４２】
吸気通路には各吸気ポート２１の分岐点より上流側にスワールコントロールバルブ２６が介装される。バタフライ式のスワールコントロールバルブ２６は回転軸２７を介して回動する。
【００４３】
図２に示すように、半円盤状をしたスワールコントロールバルブ２６は半円形の切欠き部２８を有する。切欠き部２８は、スワールコントロールバルブ２６の閉弁位置で一方の吸気ポート２１より他方の吸気ポート２１に大きく対峙するように回転軸２７と同方向にオフセットして開口される。これにより、スワールコントロールバルブ２６はその閉弁時に一方の吸気ポート２１を通ってシリンダ５に吸入される吸気流を絞り、他方の吸気ポート２１からシリンダ５に流入する吸気量の割合を増やし、シリンダ５に旋回流を生起するようになっている。
【００４４】
各吸気ポート２１の通路中心線Ｐがシリンダ５の中心線Ｏに直交する水平線Ｌに対して為す吸気ポート流入角度θｉは、０°から９０°の間で任意に設定される。
【００４５】
シリンダ５に生起される旋回流はシリンダ５の中心線Ｏに対して所定角度をもって傾斜する軸を中心に旋回し、シリンダ５の中心線Ｏを中心に旋回するスワールの成分と、シリンダ５の中心線Ｏと直交する軸を中心に旋回するタンブルの成分を有する。シリンダ５には図４において白抜き矢印で示すように反時計回り方向に旋回するスワールが生起される。
【００４６】
本実施形態では、スワール比を略３以上に設定し、スワール比をタンブル比の略１．５倍以上に設定する。ここで、スワール比とタンブル比はクランクシャフトが１回転する間における各旋回流の回転数と定義する。
【００４７】
スワールコントロールバルブ２６の回転軸２７にアクチューエータ（図示せず）が連結される。アクチュエータの作動を制御するコントロールユニット（図示せず）は予め設定されたマップに基づいてエンジンの負荷および回転数が所定値以下のリーンバーン領域ではスワールコントロールバルブ２６を閉弁し、リーンバーン領域以外ではスワールコントロールバルブ２６を開弁する。
【００４８】
燃焼室天井壁２０の側部から燃焼室３に臨むインジェクタ（電磁式燃料噴射弁）６と、中央部から燃焼室３に臨む点火プラグ４がそれぞれ設けられる。
【００４９】
インジェクタ６はその開弁時期と開弁期間（噴射パルス幅）がコントロールユニットにより運転状態に応じて制御される。
【００５０】
コントロールユニットは、図示しない各センサによって検出された吸入空気量Ｑａとエンジン回転数Ｎとに基づいて基本噴射量Ｔｐを次式で算出する。
【００５１】
Ｔｐ＝Ｋ・Ｑａ／Ｎ ‥‥（１）
ただし、Ｋ；定数
そして、所定のストイキ域で空燃比が理論空燃比を中心とした狭い範囲に収めるか、または成層燃焼を実現するための空燃比となるように最終的な燃料噴射量Ｔｉを次式で算出して燃料噴射量をフィードバック制御する。
【００５２】
Ｔｉ＝Ｔｐ×α×ＣＯＥＦ＋Ｔｓ …（２）
ただし、αは空燃比フィードバック補正係数、ＣＯＥＦは冷却水温度補正係数、および成層燃焼のための補正係数等をパラメータとした各種補正係数の和、Ｔｓは無効噴射パルス幅である。
【００５３】
この演算された燃料噴射量Ｔｉに対応するパルス信号をインジェクタ６に出力し、燃料噴射制御を行う。
【００５４】
コントロールユニットは、エンジンの負荷および回転数が所定値以下のリーンバーン領域で、シリンダ１に供給される混合気の空燃比を理論空燃比より希薄側に調節する。エンジンの負荷または回転数が所定値を超えて上昇するリーンバーン領域外で、シリンダ１に供給される混合気の空燃比を理論空燃比またはリッチ側に調節する。
【００５５】
インジェクタ６が開弁するのに伴ってシリンダ５内に噴射される燃料は、各吸気バルブ７が開かれるのに伴って吸気ポート２１から吸入される空気と混合する。シリンダ５内に形成された混合気はピストン１で圧縮された状態で点火プラグ４を介して燃料が着火燃焼する。燃焼したガスはピストン１を下降させてクランクシャフトを介して回転力を取り出した後、ピストン１が上昇する排気行程中に排気バルブ７が開かれるのに伴って各排気ポートから排出される。これらの各行程が連続して繰り返される。
【００５６】
インジェクタ６の開弁時期である燃料噴射時期は、予め設定されたマップに基づき、エンジンの負荷および回転数が所定値以下のリーンバーン領域でピストン１が上昇する圧縮行程の後半に設定され、エンジンの負荷または回転数が所定値を超えて上昇するリーンバーン領域外でピストン１が下降する吸気行程に設定されている。
【００５７】
インジェクタ６は各吸気バルブ７の側方で、かつ各吸気バルブ７の間に位置して燃焼室３に臨んでいる。
【００５８】
図４に示すように、ピストン１の冠部１０には、その中央部にルーフ状に隆起する凸部３１が形成されるとともに、皿状に窪むキャビティ１１が形成される。キャビティ１１は、シリンダ５の中心線Ｏと直交する平面状をしたキャビティ底面１５と、キャビティ底面１５の外周から逆円錐面状に拡がるキャビティ側壁１６によって画成される。
【００５９】
キャビティ底面１５はシリンダ５の中心線Ｏに直交する水平線Ｌと平行な平面状に形成される。
【００６０】
キャビティ側壁１６はそのシリンダ５の中心線Ｏに対する傾斜角度が０°から４５°の範囲となるように形成される。
【００６１】
図３、図４において、シリンダ中心面Ｃはシリンダ５の中心線Ｏを含み図示しないクランクシャフトの回転中心軸と直交する平面である。キャビティ１１をはじめピストン１と燃焼室天井壁２０と吸気ポート２１および排気ポート２３は、シリンダ中心面Ｃについて対称的に形成される。
【００６２】
キャビティ１１はシリンダ５の中心線Ｏについてインジェクタ６側に偏心した円形の断面を持ち、インジェクタ６に近接するように配置される。
【００６３】
シリンダ中心面Ｃ上に配置された点火プラグ４は、キャビティ１１に対してインジェクタ６から最も離れた位置に対向するように臨む。
【００６４】
ピストン１の冠部１０は凸部３１によって燃焼室天井壁２０に沿って傾斜する。すなわち、凸部３１は燃焼室天井壁２０の吸気ポート側傾斜面２３の下方に位置する吸気ポート側傾斜面３５と、燃焼室天井壁２０の排気ポート側傾斜面２４の下方に位置する排気ポート側傾斜面３６によって構成される。凸部３１の突出端となる稜線３３はシリンダ列方向に沿って延びている。
【００６５】
これにより、ピストン１が上死点に到達するとき、ピストン１と燃焼室天井壁２０の間に画成される燃焼室３の容積をキャビティ１１に集中させて、高い圧縮比が得られる。
【００６６】
凸部３１の稜線３３はシリンダ５の中心線Ｏと交わるシリンダ列方向の中心線に沿って形成され、シリンダ５の中心線Ｏ上に配置される点火プラグ４に近づけられる。これにより、点火プラグ４の近傍に位置するキャビティ側壁１６の高さが確保され、後述するように、燃料噴霧を点火プラグ４の近傍に有効に集められる。
【００６７】
キャビティ１１は凸部３１の稜線３３の中央部を削除するようにして窪んでいる。凸部３１が設けられることにより、キャビティ側壁１６を点火プラグ４の近傍に位置するキャビティ側壁１６の高さが確保され、後述するように、燃料噴霧を点火プラグ４の近傍に集めるようになっている。
【００６８】
インジェクタ６の燃料噴射方向は各吸気ポート２１を流れる吸気の流れ方向と略同一方向に設定される。インジェクタ６はシリンダ中心面Ｃ上に配置され、インジェクタ６の燃料噴霧の中心線Ｆがシリンダ中心面Ｃ上に配置される。
【００６９】
インジェクタ６から噴射される燃料噴霧をその頂角が４０°から８０°の範囲にある円錐状に拡がる構成とし、ピストン１が下降する吸入行程で、インジェクタ６の噴口から噴射された燃料噴霧の大部分がキャビティ１１内に納まるようになっている。
【００７０】
インジェクタ６の燃料噴射方向はキャビティ１１に対向し、点火プラグ４に対向しないように配置される。すなわち、インジェクタ６から噴射される燃料噴霧の中心線Ｆは水平線Ｌに対して所定角度θｆをもって下向きに傾斜するように配置され、円錐状に拡がる燃料噴霧が点火プラグに当たらない構成とする。
【００７１】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００７２】
各吸気バルブ７が開かれるのに伴って各吸気ポート２１からシリンダ５内に空気が吸入される。リーンバーン領域ではピストン１が上昇する圧縮行程の後半にインジェクタ６が開弁し、燃焼室３に燃料が噴射される。例えば圧縮上死点前６０°のタイミングでインジェクタ６から図示したように燃料噴霧がキャビティ１１に向けて放射状に噴射される。
【００７３】
各吸気ポート２１を通ってシリンダ５内に吸入された空気がピストン１で圧縮された状態で、点火プラグ４を介して燃料を着火燃焼させる。燃焼したガスはピストン１を下降させてクランクシャフトを介して回転力を取り出した後、ピストン１が上昇する排気行程中に排気バルブが開かれるのに伴って各排気ポートから排出される。これらの各行程が連続して繰り返される。
【００７４】
リーンバーン領域でスワールコントロールバルブ２６が閉弁し、各吸気バルブ７が開かれるのに伴って吸気の大部分が一方の吸気ポート７を通ってシリンダ５内に吸入され、シリンダ５およびキャビティ１１の側壁１６に沿って旋回するスワールが生起される。
【００７５】
インジェクタ６から噴射された燃料噴霧は、その大部分がキャビティ１１内に向かい、スワールによってキャビティ１１内に集められる。キャビティ１１内に集められた燃料噴霧は、ピストン１によって加熱され、その微粒化および気化が進み、高濃度の混合気がキャビティ１１内に溜まる。
【００７６】
ピストン１が上死点に近づくのにしたがって、キャビティ１１内の高濃度の混合気に点火プラグ４が近づき、混合気の成層化がはかれる。こうして燃料を点火プラグ４の近傍に集中させることにより、着火が確実に行われ、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大することができる。シリンダ５に供給される混合気の空燃比を希薄化することにより、エンジンのポンピング損失を低減し、燃費の低減がはかれる。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。
【００７７】
インジェクタ６から噴射される燃料は、ピストン１の冠部１０に窪むキャビティ１１に拡がることにより、ピストン１の冠部１０に当たって点火プラグ４に跳ね返ることが抑えられ、点火プラグ４に液状燃料が直接的に付着することが防止され、失火を起こすことを回避できる。
【００７８】
エンジンの負荷または回転数が所定値を超えて上昇するリーンバーン領域外で、スワールコントロールバルブ２６が全開し、吸気は２本の吸気ポート２１に略均等に分流してシリンダ１内に吸入される。したがって、ポート面積が拡大してエンジンの吸気充填効率を高められる。
【００７９】
リーンバーン領域外では、各吸気ポート２１を通ってシリンダ１内に流入する吸気流が互いに衝突し、シリンダ１内に生起されるスワールの勢力は弱まるが、シリンダ１に供給される混合気の空燃比を理論空燃比またはリッチ側に調節されるため、ピストン１が下降する吸入行程でインジェクタ６が開弁し、燃焼室３に燃料が噴射されることにより、ピストン１が上昇して点火時期を迎えるまでに燃焼室３に均質な混合気が形成され、着火が確実に行われるとともに、火炎の伝播が促される。
【００８０】
各吸気ポート２１はシリンダ５の中心線Ｏに対して大きく傾斜して設けられる構造のため、インテークマニホールド（図示せず）の取付け位置が高くなることを抑えられ、エンジンのコンパクト化がはかれる。また、シリンダヘッドの燃焼室壁のまわりに形成されるウォータジャケット（図示せず）の配置自由度が高くなり、エンジンの冷却性を高められる。
【００８１】
次に、図５、図６に示す実施形態について説明する。なお、図１、図４との対応部分には同一符号を付す。
【００８２】
キャビティ１１の側壁１６にキャビティ１１内で旋回する燃料噴霧を点火プラグ４の近傍に案内するガイド部４０が形成される。
【００８３】
キャビティ側壁１６はそのシリンダ中心線Ｏに対する傾斜角度が部分的にスワールに旋回方向に沿って次第に大きくなり、ガイド部４０はキャビティ側壁１６の途中に段差として形成される。
【００８４】
ガイド部４０は点火プラグ４の直下方で、シリンダ中心面Ｃの手前に配置される。
【００８５】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００８６】
リーンバーン領域でスワールコントロールバルブ２６が閉弁し、各吸気バルブ７が開かれるのに伴って吸気の大部分が一方の吸気ポート７を通ってシリンダ５内に吸入され、シリンダ５およびキャビティ１１の側壁１６に沿って旋回するスワールが生起される。
【００８７】
インジェクタ６から噴射された燃料噴霧は、その大部分がキャビティ１１内に向かい、スワールによってキャビティ１１内に集められる。キャビティ１１内に集められた燃料噴霧は、ピストン１によって加熱され、その微粒化および気化が進み、高濃度の混合気がキャビティ１１内に溜まる。
【００８８】
インジェクタ６から噴射された燃料噴霧はシリンダ５に生起されるスワールと共に旋回し、ガイド部４０に沿って上昇することにより、濃混合気が点火プラグ４の近傍に集められ、混合気の成層化がはかれる。こうして燃料を点火プラグ４の近傍に集中させることにより、着火が確実に行われ、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大することができる。シリンダ５に供給される混合気の空燃比を希薄化することにより、エンジンのポンピング損失を低減し、燃費の低減がはかれる。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。
【００８９】
また、キャビティ内で旋回する燃料噴霧を点火プラグの近傍に案内するガイド部として、キャビティ底面から点火プラグに向けて延びるスロープや溝を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示すエンジンの概略断面図。
【図２】同じく吸気ポートの断面図。
【図３】同じく燃焼室天井壁の概略平面図。
【図４】同じくピストンの概略平面図。
【図５】他の実施形態をエンジンの概略断面図。
【図６】同じくピストンの概略平面図。
【符号の説明】
１ ピストン
３ 燃焼室
４ 点火プラグ
５ シリンダ
６ インジェクタ
１０ ピストン冠部
１１ キャビティ
１５ キャビティ底面
１６ キャビティ側面
２０ 燃焼室天井壁
２１ 吸気ポート
２３ 吸気ポート側傾斜面
２４ 排気ポート側傾斜面
２６ スワールコントロールバルブ
２８ 切欠き部
３１ 凸部
３５ 吸気ポート側傾斜面
３６ 排気ポート側傾斜面
４０ ガイド部
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて燃焼室の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
点火プラグの近傍に燃料を集める混合気の成層化をはかるため、シリンダ内にインジェクタ（燃料噴射弁）を臨ませ、シリンダ内に直接に燃料を噴射するようにした筒内直接噴射式火花点火エンジンがある。
【０００３】
従来の筒内直接噴射式火花点火エンジンとして、例えば特開平６−８１６５１号公報に開示しているように、吸気ポートをシリンダ壁に沿って直立させるものがある。
【０００４】
直立した吸気ポートからシリンダ内に流入した吸気は、シリンダ壁に沿って下降した後、ピストン冠部に沿って旋回する逆タンブルを生起する。
【０００５】
インジェクタからシリンダ内に噴射された燃料は、この逆タンブルによって旋回する過程で、その微粒化および気化が進み、点火プラグに液状燃料が付着することを防止し、失火を無くして安定した燃焼性が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の筒内直接噴射式火花点火エンジンにあっては、直立した吸気ポートがシリンダヘッドの上部に貫通して設けられる構造のため、インテークマニホールドをシリンダヘッドの上部に接続する必要があり、エンジンの全高が大きくなるという問題点が考えられる。
【０００７】
また、シリンダヘッドに直立する吸気ポートを備えるため、シリンダヘッドの燃焼室壁のまわりに形成されるウォータジャケットの配置自由度が小さくなるという問題点が考えられる。
【０００８】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、筒内直接噴射式火花点火エンジンに適した燃焼室構造を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、
シリンダ内に吸気を導入する吸気ポートと、
シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタと、
シリンダ内の混合気に点火する点火プラグと、
シリンダ内から排気を排出する排気ポートと、
を備える筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、
吸気ポートからシリンダ内に流入する吸気に、シリンダの中心線を中心に旋回するスワールを生起するスワール生起手段を備え、
前記シリンダの中心線を含みクランクシャフトの回転中心軸と直交する平面をシリンダ中心面とした場合、前記インジェクタを吸気バルブの側方で、かつ前記シリンダ中心面上に配置し、
ピストンの冠部には、前記シリンダ中心面について対称的に、かつシリンダ中心線についてインジェクタ側に偏心した位置に、皿状に窪むキャビティが形成され、キャビティはシリンダ中心線と直交する平面状をした底面と、底面の外周から逆円錐面状に拡がるキャビティ側壁とにより画成され、
前記インジェクタは燃料噴霧の中心線が前記シリンダ中心面に配置され、前記キャビティに向けて燃料噴霧を円錐状に噴射するようになっている
ことを特徴とする。
請求項２に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１の発明において、前記点火プラグをシリンダ中心面Ｃ上に配置し、点火プラグをキャビティに対してインジェクタから最も離れた位置に臨ませる。
請求項３に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１または２の発明において、前記シリンダの中心線Ｏに対する前記キャビティの側壁の傾斜角度を０°から４５°の範囲に設定する。
請求項４に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１〜３の発明において、前記ピストンの冠部から隆起する凸部を形成し、凸部の稜線を点火プラグに近づけて配置する。
請求項５に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１〜４の発明において、前記ピストンとの間で燃焼室を画成する燃焼室天井壁を吸気ポートが開口する吸気ポート側傾斜面と排気ポートが開口する排気ポート側傾斜面によって構成し、ピストンの冠部を燃焼室天井壁に沿うように傾斜させて形成する。
請求項６に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１〜５の発明において、前記インジェクタから噴射される燃料噴霧をその頂角が４０°から８０°の範囲にある円錐状に拡がる構成とし、円錐状に拡がる燃料噴霧がキャビティ内に納まる構成とする。
請求項７に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１〜６の発明において、前記インジェクタから噴射される燃料噴霧を円錐状に拡がる構成とし、円錐状に拡がる燃料噴霧が前記点火プラグに当たらない構成とする。
請求項８に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１〜７の発明において、スワール比を略３以上に設定し、スワール比をタンブル比の略１．５倍以上に設定する。
請求項９に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１〜８の発明において、前記キャビティの側壁にキャビティ内で旋回する燃料噴霧を点火プラグの近傍に案内するガイド部を形成する。
請求項１０に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１〜９の発明において、前記インジェクタの燃料噴射時期を高負荷時に吸気行程に設定し、インジェクタの燃料噴射時期を低負荷時に圧縮行程に設定したことを特徴とする。
【００２０】
【発明の作用および効果】
請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、吸気バルブが開かれるのに伴って吸気ポートからシリンダ内に空気が吸入される。吸気ポートを通ってシリンダ内に吸入される吸気には、シリンダの中心線Ｏを中心として旋回するスワールが生起される。
【００２１】
例えば希薄空燃比で運転されるリーンバーン領域にて、ピストンが上昇する圧縮行程においてインジェクタが開弁し、燃焼室に燃料が噴射される。吸気ポートを通ってシリンダ内に吸入された空気がピストンで圧縮された状態で、点火プラグを介して燃料を着火燃焼させる。
【００２２】
ピストンが上昇する圧縮行程においてインジェクタから噴射される燃料噴霧は、吸気ポートにおける吸気の流れ方向に噴射され、スワールによってキャビティ内に集められる。キャビティ内に集められた燃料噴霧は、ピストンによって加熱され、その微粒化および気化が進み、高濃度の混合気がキャビティ内に溜まる。
【００２３】
ピストンが上死点に近づくのにしたがって、キャビティ内の高濃度の混合気に点火プラグが近づき、混合気の成層化がはかれる。こうして燃料を点火プラグの近傍に集中させることにより、着火が確実に行われ、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大することができる。シリンダに供給される混合気の空燃比を希薄化することにより、エンジンのポンピング損失を低減し、燃費の低減がはかれる。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。
【００２４】
インジェクタから噴射される燃料は、ピストンの冠部に窪むキャビティに拡がることにより、ピストンの冠部に当たって点火プラグに跳ね返ることが抑えられ、点火プラグに液状燃料が直接的に付着することが防止され、失火を起こすことを回避できる。
【００２５】
吸気ポートをシリンダ壁に沿って直立させる必要がなく、インテークマニホールドの取付け位置が高くなることを抑えられ、エンジンのコンパクト化がはかれる。また、シリンダヘッドの燃焼室壁のまわりに冷却水を循環させるウォータジャケットの配置自由度が高まり、エンジンの冷却性を高められる。
さらに、キャビティをシリンダ中心面Ｃについて対称的に形成し、インジェクタの燃料噴射方向をシリンダ中心面Ｃ上に配置することにより、濃混合気をキャビティを介して点火プラグの近接に集められる。この結果、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００２７】
請求項２に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、点火プラグをシリンダ中心面Ｃ上に配置し、点火プラグをキャビティに対してインジェクタから最も離れた位置に臨ませることにより、濃混合気を点火プラグの近傍へと有効に集められる。この結果、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００２８】
請求項３に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、キャビティをピストンの冠部に対して皿状に窪ませ、シリンダの中心線Ｏに対するキャビティの側壁の傾斜角度を０°から４５°の範囲に設定することにより、濃混合気をキャビティを介して点火プラグの近傍へと有効に集められる。この結果、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００２９】
請求項４に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、ピストンの冠部から隆起する凸部を形成し、凸部の稜線を点火プラグに近づけて配置することにより、キャビティの側壁高さが点火プラグの近傍で大きくなり、濃混合気をキャビティを介して点火プラグの近傍へと有効に集められる。この結果、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００３０】
請求項５に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、ピストンの冠部を燃焼室天井壁に沿うように傾斜させて形成することにより、ピストンが上死点に到達するとき、ピストンの冠部と燃焼室天井壁の間に画成される燃焼室の容積をキャビティに集中させて、高い圧縮比が得られ、エンジンの高出力化がはかれる。
【００３１】
請求項６に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、インジェクタから円錐状に拡がる燃料噴霧がキャビティ内に納まる構成としたため、濃混合気をキャビティを介して点火プラグの近傍へと有効に集められる。この結果、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００３２】
請求項７に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、インジェクタから円錐状に拡がる燃料噴霧が点火プラグに当たらない構成としたため、失火を起こすことを防止し、サイクル変動に影響されない安定した燃焼性が確保され、排気性能の向上がはかれる。
【００３３】
請求項８に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、スワール比を略３以上に設定し、スワール比をタンブル比の略１．５倍以上に設定することにより、濃混合気をキャビティを介して点火プラグの近傍へと有効に集められる。この結果、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００３４】
請求項９に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、キャビティの側壁にキャビティ内で旋回する燃料噴霧を点火プラグの近傍に案内するガイド部を形成したため、濃混合気をキャビティを介して点火プラグの近傍へと有効に集められる。この結果、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００３５】
請求項１０に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、低負荷時ではピストンが上昇する圧縮行程にインジェクタからに燃料が噴射され、濃混合気をキャビティを介して点火プラグの近傍へと有効に集められる。この結果、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００３６】
高負荷時では、ピストンが下降する吸入行程にインジェクタから燃料が噴射され、点火時期を迎えるまでに燃焼室に均質な混合気が形成され、サイクル変動に影響されない安定した燃焼性が確保され、出力の向上がはかれる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００３８】
図１、図３に示すように、シリンダヘッドに形成された燃焼室天井壁２０とピストン１の間に燃焼室３が画成される。ピストン１のシリンダ５における往復運動はコンロッド（図示せず）を介してクランクシャフト（図示せず）の連続回転運動に変換される。
【００３９】
ペントルーフ型に傾斜する燃焼室天井壁２０には２本に分岐する吸気ポート２１と２本の排気ポート（図示せず）が互いに対向して開口している。すなわち、燃焼室天井壁２０は、各吸気ポート２１が開口する吸気ポート側傾斜面２３と各排気ポートが開口する排気ポート側傾斜面２４によって構成される。
【００４０】
図１において、線分Ｏはシリンダ５の中心線である。点火プラグ４はシリンダ５の中心線Ｏと同軸上に配置され、各吸気バルブ７と各排気バルブの間に位置して燃焼室３に臨んでいる。点火プラグ４を挟むようにして２つの吸気バルブ７と２つの排気バルブ（図示せず）が互いに対向して設けられる。図１において、Ｉは吸気バルブ７の中心線であり、Ｅは排気バルブの中心線である。
【００４１】
スワール生起手段として、一方の吸気ポート２１からシリンダ５内に導入される吸気量を調節するコントロールバルブ２６が設けられる。
【００４２】
吸気通路には各吸気ポート２１の分岐点より上流側にスワールコントロールバルブ２６が介装される。バタフライ式のスワールコントロールバルブ２６は回転軸２７を介して回動する。
【００４３】
図２に示すように、半円盤状をしたスワールコントロールバルブ２６は半円形の切欠き部２８を有する。切欠き部２８は、スワールコントロールバルブ２６の閉弁位置で一方の吸気ポート２１より他方の吸気ポート２１に大きく対峙するように回転軸２７と同方向にオフセットして開口される。これにより、スワールコントロールバルブ２６はその閉弁時に一方の吸気ポート２１を通ってシリンダ５に吸入される吸気流を絞り、他方の吸気ポート２１からシリンダ５に流入する吸気量の割合を増やし、シリンダ５に旋回流を生起するようになっている。
【００４４】
各吸気ポート２１の通路中心線Ｐがシリンダ５の中心線Ｏに直交する水平線Ｌに対して為す吸気ポート流入角度θｉは、０°から９０°の間で任意に設定される。
【００４５】
シリンダ５に生起される旋回流はシリンダ５の中心線Ｏに対して所定角度をもって傾斜する軸を中心に旋回し、シリンダ５の中心線Ｏを中心に旋回するスワールの成分と、シリンダ５の中心線Ｏと直交する軸を中心に旋回するタンブルの成分を有する。シリンダ５には図４において白抜き矢印で示すように反時計回り方向に旋回するスワールが生起される。
【００４６】
本実施形態では、スワール比を略３以上に設定し、スワール比をタンブル比の略１．５倍以上に設定する。ここで、スワール比とタンブル比はクランクシャフトが１回転する間における各旋回流の回転数と定義する。
【００４７】
スワールコントロールバルブ２６の回転軸２７にアクチューエータ（図示せず）が連結される。アクチュエータの作動を制御するコントロールユニット（図示せず）は予め設定されたマップに基づいてエンジンの負荷および回転数が所定値以下のリーンバーン領域ではスワールコントロールバルブ２６を閉弁し、リーンバーン領域以外ではスワールコントロールバルブ２６を開弁する。
【００４８】
燃焼室天井壁２０の側部から燃焼室３に臨むインジェクタ（電磁式燃料噴射弁）６と、中央部から燃焼室３に臨む点火プラグ４がそれぞれ設けられる。
【００４９】
インジェクタ６はその開弁時期と開弁期間（噴射パルス幅）がコントロールユニットにより運転状態に応じて制御される。
【００５０】
コントロールユニットは、図示しない各センサによって検出された吸入空気量Ｑａとエンジン回転数Ｎとに基づいて基本噴射量Ｔｐを次式で算出する。
【００５１】
Ｔｐ＝Ｋ・Ｑａ／Ｎ ‥‥（１）
ただし、Ｋ；定数
そして、所定のストイキ域で空燃比が理論空燃比を中心とした狭い範囲に収めるか、または成層燃焼を実現するための空燃比となるように最終的な燃料噴射量Ｔｉを次式で算出して燃料噴射量をフィードバック制御する。
【００５２】
Ｔｉ＝Ｔｐ×α×ＣＯＥＦ＋Ｔｓ …（２）
ただし、αは空燃比フィードバック補正係数、ＣＯＥＦは冷却水温度補正係数、および成層燃焼のための補正係数等をパラメータとした各種補正係数の和、Ｔｓは無効噴射パルス幅である。
【００５３】
この演算された燃料噴射量Ｔｉに対応するパルス信号をインジェクタ６に出力し、燃料噴射制御を行う。
【００５４】
コントロールユニットは、エンジンの負荷および回転数が所定値以下のリーンバーン領域で、シリンダ１に供給される混合気の空燃比を理論空燃比より希薄側に調節する。エンジンの負荷または回転数が所定値を超えて上昇するリーンバーン領域外で、シリンダ１に供給される混合気の空燃比を理論空燃比またはリッチ側に調節する。
【００５５】
インジェクタ６が開弁するのに伴ってシリンダ５内に噴射される燃料は、各吸気バルブ７が開かれるのに伴って吸気ポート２１から吸入される空気と混合する。シリンダ５内に形成された混合気はピストン１で圧縮された状態で点火プラグ４を介して燃料が着火燃焼する。燃焼したガスはピストン１を下降させてクランクシャフトを介して回転力を取り出した後、ピストン１が上昇する排気行程中に排気バルブ７が開かれるのに伴って各排気ポートから排出される。これらの各行程が連続して繰り返される。
【００５６】
インジェクタ６の開弁時期である燃料噴射時期は、予め設定されたマップに基づき、エンジンの負荷および回転数が所定値以下のリーンバーン領域でピストン１が上昇する圧縮行程の後半に設定され、エンジンの負荷または回転数が所定値を超えて上昇するリーンバーン領域外でピストン１が下降する吸気行程に設定されている。
【００５７】
インジェクタ６は各吸気バルブ７の側方で、かつ各吸気バルブ７の間に位置して燃焼室３に臨んでいる。
【００５８】
図４に示すように、ピストン１の冠部１０には、その中央部にルーフ状に隆起する凸部３１が形成されるとともに、皿状に窪むキャビティ１１が形成される。キャビティ１１は、シリンダ５の中心線Ｏと直交する平面状をしたキャビティ底面１５と、キャビティ底面１５の外周から逆円錐面状に拡がるキャビティ側壁１６によって画成される。
【００５９】
キャビティ底面１５はシリンダ５の中心線Ｏに直交する水平線Ｌと平行な平面状に形成される。
【００６０】
キャビティ側壁１６はそのシリンダ５の中心線Ｏに対する傾斜角度が０°から４５°の範囲となるように形成される。
【００６１】
図３、図４において、シリンダ中心面Ｃはシリンダ５の中心線Ｏを含み図示しないクランクシャフトの回転中心軸と直交する平面である。キャビティ１１をはじめピストン１と燃焼室天井壁２０と吸気ポート２１および排気ポート２３は、シリンダ中心面Ｃについて対称的に形成される。
【００６２】
キャビティ１１はシリンダ５の中心線Ｏについてインジェクタ６側に偏心した円形の断面を持ち、インジェクタ６に近接するように配置される。
【００６３】
シリンダ中心面Ｃ上に配置された点火プラグ４は、キャビティ１１に対してインジェクタ６から最も離れた位置に対向するように臨む。
【００６４】
ピストン１の冠部１０は凸部３１によって燃焼室天井壁２０に沿って傾斜する。すなわち、凸部３１は燃焼室天井壁２０の吸気ポート側傾斜面２３の下方に位置する吸気ポート側傾斜面３５と、燃焼室天井壁２０の排気ポート側傾斜面２４の下方に位置する排気ポート側傾斜面３６によって構成される。凸部３１の突出端となる稜線３３はシリンダ列方向に沿って延びている。
【００６５】
これにより、ピストン１が上死点に到達するとき、ピストン１と燃焼室天井壁２０の間に画成される燃焼室３の容積をキャビティ１１に集中させて、高い圧縮比が得られる。
【００６６】
凸部３１の稜線３３はシリンダ５の中心線Ｏと交わるシリンダ列方向の中心線に沿って形成され、シリンダ５の中心線Ｏ上に配置される点火プラグ４に近づけられる。これにより、点火プラグ４の近傍に位置するキャビティ側壁１６の高さが確保され、後述するように、燃料噴霧を点火プラグ４の近傍に有効に集められる。
【００６７】
キャビティ１１は凸部３１の稜線３３の中央部を削除するようにして窪んでいる。凸部３１が設けられることにより、キャビティ側壁１６を点火プラグ４の近傍に位置するキャビティ側壁１６の高さが確保され、後述するように、燃料噴霧を点火プラグ４の近傍に集めるようになっている。
【００６８】
インジェクタ６の燃料噴射方向は各吸気ポート２１を流れる吸気の流れ方向と略同一方向に設定される。インジェクタ６はシリンダ中心面Ｃ上に配置され、インジェクタ６の燃料噴霧の中心線Ｆがシリンダ中心面Ｃ上に配置される。
【００６９】
インジェクタ６から噴射される燃料噴霧をその頂角が４０°から８０°の範囲にある円錐状に拡がる構成とし、ピストン１が下降する吸入行程で、インジェクタ６の噴口から噴射された燃料噴霧の大部分がキャビティ１１内に納まるようになっている。
【００７０】
インジェクタ６の燃料噴射方向はキャビティ１１に対向し、点火プラグ４に対向しないように配置される。すなわち、インジェクタ６から噴射される燃料噴霧の中心線Ｆは水平線Ｌに対して所定角度θｆをもって下向きに傾斜するように配置され、円錐状に拡がる燃料噴霧が点火プラグに当たらない構成とする。
【００７１】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００７２】
各吸気バルブ７が開かれるのに伴って各吸気ポート２１からシリンダ５内に空気が吸入される。リーンバーン領域ではピストン１が上昇する圧縮行程の後半にインジェクタ６が開弁し、燃焼室３に燃料が噴射される。例えば圧縮上死点前６０°のタイミングでインジェクタ６から図示したように燃料噴霧がキャビティ１１に向けて放射状に噴射される。
【００７３】
各吸気ポート２１を通ってシリンダ５内に吸入された空気がピストン１で圧縮された状態で、点火プラグ４を介して燃料を着火燃焼させる。燃焼したガスはピストン１を下降させてクランクシャフトを介して回転力を取り出した後、ピストン１が上昇する排気行程中に排気バルブが開かれるのに伴って各排気ポートから排出される。これらの各行程が連続して繰り返される。
【００７４】
リーンバーン領域でスワールコントロールバルブ２６が閉弁し、各吸気バルブ７が開かれるのに伴って吸気の大部分が一方の吸気ポート７を通ってシリンダ５内に吸入され、シリンダ５およびキャビティ１１の側壁１６に沿って旋回するスワールが生起される。
【００７５】
インジェクタ６から噴射された燃料噴霧は、その大部分がキャビティ１１内に向かい、スワールによってキャビティ１１内に集められる。キャビティ１１内に集められた燃料噴霧は、ピストン１によって加熱され、その微粒化および気化が進み、高濃度の混合気がキャビティ１１内に溜まる。
【００７６】
ピストン１が上死点に近づくのにしたがって、キャビティ１１内の高濃度の混合気に点火プラグ４が近づき、混合気の成層化がはかれる。こうして燃料を点火プラグ４の近傍に集中させることにより、着火が確実に行われ、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大することができる。シリンダ５に供給される混合気の空燃比を希薄化することにより、エンジンのポンピング損失を低減し、燃費の低減がはかれる。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。
【００７７】
インジェクタ６から噴射される燃料は、ピストン１の冠部１０に窪むキャビティ１１に拡がることにより、ピストン１の冠部１０に当たって点火プラグ４に跳ね返ることが抑えられ、点火プラグ４に液状燃料が直接的に付着することが防止され、失火を起こすことを回避できる。
【００７８】
エンジンの負荷または回転数が所定値を超えて上昇するリーンバーン領域外で、スワールコントロールバルブ２６が全開し、吸気は２本の吸気ポート２１に略均等に分流してシリンダ１内に吸入される。したがって、ポート面積が拡大してエンジンの吸気充填効率を高められる。
【００７９】
リーンバーン領域外では、各吸気ポート２１を通ってシリンダ１内に流入する吸気流が互いに衝突し、シリンダ１内に生起されるスワールの勢力は弱まるが、シリンダ１に供給される混合気の空燃比を理論空燃比またはリッチ側に調節されるため、ピストン１が下降する吸入行程でインジェクタ６が開弁し、燃焼室３に燃料が噴射されることにより、ピストン１が上昇して点火時期を迎えるまでに燃焼室３に均質な混合気が形成され、着火が確実に行われるとともに、火炎の伝播が促される。
【００８０】
各吸気ポート２１はシリンダ５の中心線Ｏに対して大きく傾斜して設けられる構造のため、インテークマニホールド（図示せず）の取付け位置が高くなることを抑えられ、エンジンのコンパクト化がはかれる。また、シリンダヘッドの燃焼室壁のまわりに形成されるウォータジャケット（図示せず）の配置自由度が高くなり、エンジンの冷却性を高められる。
【００８１】
次に、図５、図６に示す実施形態について説明する。なお、図１、図４との対応部分には同一符号を付す。
【００８２】
キャビティ１１の側壁１６にキャビティ１１内で旋回する燃料噴霧を点火プラグ４の近傍に案内するガイド部４０が形成される。
【００８３】
キャビティ側壁１６はそのシリンダ中心線Ｏに対する傾斜角度が部分的にスワールに旋回方向に沿って次第に大きくなり、ガイド部４０はキャビティ側壁１６の途中に段差として形成される。
【００８４】
ガイド部４０は点火プラグ４の直下方で、シリンダ中心面Ｃの手前に配置される。
【００８５】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００８６】
リーンバーン領域でスワールコントロールバルブ２６が閉弁し、各吸気バルブ７が開かれるのに伴って吸気の大部分が一方の吸気ポート７を通ってシリンダ５内に吸入され、シリンダ５およびキャビティ１１の側壁１６に沿って旋回するスワールが生起される。
【００８７】
インジェクタ６から噴射された燃料噴霧は、その大部分がキャビティ１１内に向かい、スワールによってキャビティ１１内に集められる。キャビティ１１内に集められた燃料噴霧は、ピストン１によって加熱され、その微粒化および気化が進み、高濃度の混合気がキャビティ１１内に溜まる。
【００８８】
インジェクタ６から噴射された燃料噴霧はシリンダ５に生起されるスワールと共に旋回し、ガイド部４０に沿って上昇することにより、濃混合気が点火プラグ４の近傍に集められ、混合気の成層化がはかれる。こうして燃料を点火プラグ４の近傍に集中させることにより、着火が確実に行われ、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大することができる。シリンダ５に供給される混合気の空燃比を希薄化することにより、エンジンのポンピング損失を低減し、燃費の低減がはかれる。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。
【００８９】
また、キャビティ内で旋回する燃料噴霧を点火プラグの近傍に案内するガイド部として、キャビティ底面から点火プラグに向けて延びるスロープや溝を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示すエンジンの概略断面図。
【図２】同じく吸気ポートの断面図。
【図３】同じく燃焼室天井壁の概略平面図。
【図４】同じくピストンの概略平面図。
【図５】他の実施形態をエンジンの概略断面図。
【図６】同じくピストンの概略平面図。
【符号の説明】
１ ピストン
３ 燃焼室
４ 点火プラグ
５ シリンダ
６ インジェクタ
１０ ピストン冠部
１１ キャビティ
１５ キャビティ底面
１６ キャビティ側面
２０ 燃焼室天井壁
２１ 吸気ポート
２３ 吸気ポート側傾斜面
２４ 排気ポート側傾斜面
２６ スワールコントロールバルブ
２８ 切欠き部
３１ 凸部
３５ 吸気ポート側傾斜面
３６ 排気ポート側傾斜面
４０ ガイド部
Claims (10)
- シリンダ内に吸気を導入する吸気ポートと、
シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタと、
シリンダ内の混合気に点火する点火プラグと、
シリンダ内から排気を排出する排気ポートと、
を備える筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、
吸気ポートからシリンダ内に流入する吸気に、シリンダの中心線を中心に旋回するスワールを生起するスワール生起手段を備え、
前記シリンダの中心線を含みクランクシャフトの回転中心軸と直交する平面をシリンダ中心面とした場合、前記インジェクタを吸気バルブの側方で、かつ前記シリンダ中心面上に配置し、
ピストンの冠部には、前記シリンダ中心面について対称的に、かつシリンダ中心線についてインジェクタ側に偏心した位置に、皿状に窪むキャビティが形成され、キャビティはシリンダ中心線と直交する平面状をした底面と、底面の外周から逆円錐面状に拡がるキャビティ側壁とにより画成され、
前記インジェクタは燃料噴霧の中心線が前記シリンダ中心面に配置され、前記キャビティに向けて燃料噴霧を円錐状に噴射するようになっている
ことを特徴とする筒内直接噴射式火花点火エンジン。 - 前記点火プラグをシリンダ中心面Ｃ上に配置し、
点火プラグをキャビティに対してインジェクタから最も離れた位置に臨ませたことを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジン。 - 前記シリンダの中心線Ｏに対する前記キャビティの側壁の傾斜角度を０°から４５°の範囲に設定したことを特徴とする請求項１または２に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジン。
- 前記ピストンの冠部から隆起する凸部を形成し、
凸部の稜線を点火プラグに近づけて配置したことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式火花点火エンジン。 - 前記ピストンとの間で燃焼室を画成する燃焼室天井壁を吸気ポートが開口する吸気ポート側傾斜面と排気ポートが開口する排気ポート側傾斜面によって構成し、
ピストンの冠部を燃焼室天井壁に沿うように傾斜させて形成したことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式火花点火エンジン。 - 前記インジェクタから噴射される燃料噴霧をその頂角が４０°から８０°の範囲にある円錐状に拡がる構成とし、
円錐状に拡がる燃料噴霧がキャビティ内に納まる構成としたことを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式火花点火エンジン。 - 前記インジェクタから噴射される燃料噴霧を円錐状に拡がる構成とし、
円錐状に拡がる燃料噴霧が前記点火プラグに当たらない構成としたことを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式火花点火エンジン。 - スワール比を略３以上に設定し、
スワール比をタンブル比の略１．５倍以上に設定したことを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式火花点火エンジン。 - 前記キャビティの側壁にキャビティ内で旋回する燃料噴霧を点火プラグの近傍に案内するガイド部を形成したことを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式火花点火エンジン。
- 前記インジェクタの燃料噴射時期を高負荷時に吸気行程に設定し、
インジェクタの燃料噴射時期を低負荷時に圧縮行程に設定したことを特徴とす る請求項１から９のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式火花点火エンジン。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31204596A JP3550917B2 (ja) | 1996-11-22 | 1996-11-22 | 筒内直接噴射式火花点火エンジン |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31204596A JP3550917B2 (ja) | 1996-11-22 | 1996-11-22 | 筒内直接噴射式火花点火エンジン |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10153122A JPH10153122A (ja) | 1998-06-09 |
| JP3550917B2 true JP3550917B2 (ja) | 2004-08-04 |
Family
ID=18024562
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31204596A Expired - Lifetime JP3550917B2 (ja) | 1996-11-22 | 1996-11-22 | 筒内直接噴射式火花点火エンジン |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3550917B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115750071B (zh) * | 2022-11-09 | 2024-05-03 | 重庆长安汽车股份有限公司 | 一种汽油机燃烧系统、发动机及车辆 |
-
1996
- 1996-11-22 JP JP31204596A patent/JP3550917B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10153122A (ja) | 1998-06-09 |
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