JP3633392B2 - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備する筒内噴射式火花点火内燃機関は、一般的に、圧縮行程末期にピストン頂面に形成されたキャビティ内へ燃料を噴射することにより、燃料をピストン熱を利用して気化させると共に点火プラグ近傍へ導き、点火時点において、着火性の良好な可燃混合気を点火プラグ近傍だけに形成し、気筒内全体としてリーンな混合気を燃焼可能な成層燃焼を実現するものである。
【０００３】
このような筒内噴射式火花点火内燃機関では、燃料を確実にキャビティ内へ噴射するために、燃料噴射時期がピストン位置に制約されることとなり、燃料噴射の自由度が低い。それにより、特に、機関回転数の上昇に伴って圧縮行程でのピストン上昇速度が速くなると、燃料噴射可能なピストン最下位置から点火までの時間が短くなり、良好な可燃混合気の形成が困難となる。この問題を解決するために、特開昭６０−２６１９２２号公報には、キャビティをシリンダヘッドに形成して燃料噴射の自由度を高めることが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の従来技術のように、シリンダヘッドにキャビティを形成して、単にキャビティ内へ燃料を噴射しても、点火時点において、噴射された燃料が全て気化して可燃混合気を形成しているとは限らず、また、可燃混合気が形成されたとしても主な可燃混合気がキャビティ外へ流出したりして点火プラグ近傍に位置していない可能性もある。
【０００５】
従って、本発明の目的は、気筒上壁に可燃混合気を形成するためのキャビティを有する筒内噴射式火花点火内燃機関において、主な可燃混合気を点火時点で確実に点火プラグ近傍に位置させ良好な成層燃焼を実現可能とすることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
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、点火プラグと、気筒上壁に形成されたキャビティと、主な燃料が前記キャビティの側壁の延在方向に対して鋭角度で前記側壁に衝突するように燃料を噴射する燃料噴射弁とを具備し、前記キャビティの側壁は燃料誘導部を有し、前記主な燃料は前記燃料誘導部に沿って前記キャビティ内に位置する前記点火プラグ近傍に導かれ、前記燃料噴射弁は、前記主な燃料を少なくとも二方向に別けて噴射し、二方向に噴射された前記主な燃料は、互いに逆方向に前記燃料誘導部に沿って前記点火プラグ近傍に導かれて互いに衝突し、前記点火プラグ近傍に可燃混合気として留まることを特徴とする。
【０００７】
また、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、点火プラグと、気筒上壁に形成されたキャビティと、主な燃料が前記キャビティの側壁の延在方向に対して鋭角度で前記側壁に衝突するように燃料を噴射する燃料噴射弁とを具備し、前記キャビティの側壁は燃料誘導部を有し、前記主な燃料は前記燃料誘導部に沿って前記キャビティ内に位置する前記点火プラグ近傍に導かれ、前記燃料誘導部は、前記点火プラグ近傍において、前記燃料誘導部に沿う液状燃料が衝突する障壁部を有し、前記液状燃料は、前記障壁部に衝突して前記点火プラグ近傍に可燃混合気として留まることを特徴とする。
【０００８】
また、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又は２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料誘導部の少なくとも一部分は、吸気ポート気筒内開口に隣接していることを特徴とする。
【０００９】
また、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又は２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料誘導部の少なくとも一部分は、排気ポート気筒内開口に隣接していることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明による請求項５に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１又は２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁は、燃料を厚さの薄い平らな扇形状噴霧として噴射することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第一実施形態を示す概略縦断面図であり、図２は第一実施形態の気筒上部の底面図である。これらの図において、１は吸気ポート、２は排気ポートである。吸気ポート１は吸気弁３を介して、排気ポート２は排気弁４を介して、それぞれ気筒内へ通じている。５はピストンである。気筒上部にはキャビティ８が形成され、キャビティ８の上壁８ａには、二つの吸気ポート１が開口すると共に、気筒上部略中心に位置する点火プラグ６が突出している。キャビティ８の側壁８ｂは、こうして、二つの吸気ポート１の気筒内開口と点火プラグ６とを同時に取り囲むように形成され、特に、点火プラグ６は側壁８ｂ近傍に位置するようになっている。燃料噴射弁７は、キャビティ８の側壁８ｂにおける点火プラグ６の対向側に配置されている。
【００１３】
また、燃料噴射弁７は、スリット状噴孔を有し、燃料を厚さの薄い扇状に噴射するものである。本実施形態の燃料噴射弁７は、特に、二つのスリット状噴孔を有し、図２に斜線で示すように、燃料を燃料の厚さ方向とキャビティ８の側壁８ｂの高さ方向とをほぼ一致させて、二方向に噴射するようになっている。燃料噴射弁７から二方向に噴射された燃料は、それぞれにおける燃料各部分がキャビティ８の側壁８ｂの延在方向に対して鋭角度で側壁８ｂに衝突するように、燃料噴射方向及びキャビティ８の側壁８ｂ形状が設定されている。
【００１４】
また、キャビティ８の側壁８ｂの横断面形状は、特に、燃料噴射弁７の中心軸線と点火プラグ６の中心軸線とを通る垂直平面に対して略対称となっており、燃料噴射弁７から噴射される二方向の扇状燃料噴霧は、この垂直平面に対して互いに略対称とされている。
【００１５】
キャビティ８の側壁８ｂに衝突する燃料は、それぞれ、自身の慣性力によって側壁８ｂに沿って側壁８ｂ近傍の点火プラグ６方向へ進行する。こうして、側壁８ｂの一部は、燃料を点火プラグ６近傍へ導く燃料誘導部となる。本実施形態においては、前述の構成によって、側壁８ｂにおける二つの燃料衝突位置から点火プラグ６近接位置までのそれぞれの距離がほぼ等しくなるために、図２に斜線で示す液状燃料は、側壁８ｂに衝突した後に、それぞれ、燃料誘導部を進行する際の受熱によって徐々に気化し、点火プラグ６近傍位置に達して互いに衝突することにより、この位置にドットで示す可燃混合気を形成する。燃料誘導部は、以下に説明する実施形態を含めて、燃料噴霧の高さ中心平面に対して直交するようになっているために燃料誘導部上を進行する液状燃料がキャビティ外に流出することはなく、噴射された全燃料によって可燃混合気が形成される。
【００１６】
本実施形態において、燃料は気筒上部に形成されたキャビティ８内へ噴射するために、ピストン位置にかかわらずに圧縮行程初期から燃料を噴射することも可能である。それにより、比較的多量の燃料噴射も可能となるが、この場合には、特に燃料噴射後期において、これまでの燃料気化によりキャビティ８の側壁８ｂにおける燃料誘導部が温度低下し、燃料の燃料誘導部からの受熱が不十分となって、液状の燃料が点火プラグ６近傍に達する可能性がある。しかしながら、この液状燃料は、点火プラグ６近傍で互いに衝突して微粒化するために、容易に気化し、比較的多量の燃料を噴射しても点火プラグ６近傍に可燃混合気を形成することができる。
【００１７】
圧縮行程末期となって気筒上部の排気ポート側からスキッシュ流が発生しても、このスキッシュ流は、点火プラグ６近傍に形成された可燃混合気に作用することはない。こうして、この可燃混合気は、点火プラグ６近傍から移動する要因がないために、この位置に留まり、何時でも着火燃焼が可能である。このように、本実施形態によれば、燃料噴射時期及び点火時期の自由な設定が可能であり、機関回転数にかかわらず、比較的多量の燃料を噴射しても、可燃混合気を点火時点において確実に点火プラグ近傍に位置させ、良好な成層燃焼を実現することができる。こうして、燃料消費率の低い成層燃焼の運転領域を、高回転高負荷側へ確実に拡大することが可能となる。
【００１８】
また、多量の燃料が必要な機関高負荷時等には、吸気行程で燃料を噴射して均質燃焼を実施する。本実施形態において、キャビティ８の側壁８ｂにおける燃料誘導部の一部が吸気ポート気筒内開口に隣接しているために、均質燃焼には、燃料噴射弁７から噴射される燃料は、飛行中に吸気ポート気筒内開口を横切り、その際に吸気ポート気筒内開口から流入する吸気流によって攪拌され、また、燃料誘導部に達した燃料も、燃料誘導部を進行中に吸気流によって十分に攪拌される。それにより、本実施形態によれば、点火時点において、気筒内には十分に均質化された均質混合気が形成され、良好な均質燃焼も実現可能である。
【００１９】
本実施形態において、燃料噴射弁７の燃料噴射方向を二方向として、それぞれの燃料をキャビティ８の側壁８ｂの燃料誘導部に沿わせて点火プラグ６近傍で衝突させるようにしたが、これは、本発明を限定するものではなく、燃料噴射方向を一方向とすることも可能である。この場合には、成層燃焼時において、噴射された燃料は、キャビティ８の側壁８ｂに沿って移動する細長い可燃混合気を形成することとなり、この細長い可燃混合気は、点火プラグ６の点火ギャップと比較的長い時間接触し、この間の着火燃焼が可能であるために、燃料噴射時期及び点火時期の比較的自由な設定が可能となる。それにより、機関回転数にかかわらず、比較的多量の燃料を噴射しても、可燃混合気を点火時点において確実に点火プラグ近傍に位置させ、良好な成層燃焼を実現することができる。また、この場合において、成層燃焼時に比較的多量の燃料が噴射されると、キャビティ８の側壁８ｂに沿っての環状の可燃混合気が形成され、この可燃混合気は常に点火プラグ６に接触していて何時でも着火燃焼が可能となり、この時にも良好な成層燃焼が実現可能である。
【００２０】
もちろん、一方向の燃料噴射でも、キャビティ８の側壁８ｂにおける燃料誘導部の一部は吸気ポート気筒内開口に隣接しており、前述同様に、良好な均質燃焼も実現可能である。また、第一実施形態におけるキャビティ８の側壁８ｂは、二つの吸気ポートの気筒内開口と点火プラグ６とを取り囲むようにしたが、もちろん、吸気一弁式の場合、また、吸気二弁式でも、キャビティ８の側壁８ｂが、一つの吸気ポートと点火プラグとだけを取り囲むようにしても良い。
【００２１】
図３は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第二実施形態を示す気筒上部の底面図である。第一実施形態と比較して同じ参照番号は同じ構成要素を示しており、以下に第一実施形態との違いについてのみ説明する。本実施形態のキャビティ１８の側壁１８ｂは、第一実施形態と同様に二つの吸気ポート１の気筒内開口と点火プラグ６とを同時に取り囲むように形成され、特に、点火プラグ６の周囲を半分以上取り囲むプラグポケット部１８ｃを有している。
【００２２】
また、燃料噴射弁７’は、図３に斜線で示すように燃料を、燃料の厚さ方向とキャビティ８の側壁８ｂの高さ方向とをほぼ一致させて一方向に噴射し、燃料各部分がキャビティ８の側壁１８ｂの延在方向に対して鋭角度で側壁１８ｂに衝突するように、燃料噴射方向及びキャビティ８の側壁１８ｂ形状が設定されている。
【００２３】
図４は、プラグポケット部１８ｃの形状を示す拡大図である。本実施形態において、キャビティ１８の側壁１８ｂにおける燃料誘導部は、燃料噴射弁７’から噴射された燃料が衝突する位置からプラグポケット部１８ｃまでとなる。図４に示すように、燃料誘導部から先のキャビティ１８の側壁１８ｂは、燃料誘導部の延長面がプラグポケット部１８ｃの壁面と交差するように形成されている。
【００２４】
このような構成によって、図３に斜線で示す液状燃料は、キャビティ１８の側壁１８ｂに衝突した後に、自身の慣性力によって燃料誘導部に沿ってプラグポケット部１８ｃに達し、これまでに燃料誘導部からの受熱によって気化した燃料は、一点鎖線の矢印で示すように、コアンダ効果によってプラグポケット部１８ｃ内へ進入すると共に、プラグポケット部１８ｃの反対側にも膨らんで点火プラグ６近傍にドットで示す可燃混合気を形成する。
【００２５】
比較的多量の燃料噴射によって、前述同様に、液状の燃料がプラグポケット部１８ｃに達する可能性がある。しかしながら、この液状燃料は、図４に斜線で示すように、プラグポケット部１８ｃの壁面に衝突して微粒化されるために、容易に気化し、燃料誘導部からの受熱によって気化した気化燃料と共に、点火プラグ６近傍に可燃混合気を形成することができる。
【００２６】
こうして形成された可燃混合気は、点火プラグ６近傍から移動する要因がないために、この位置に留まり、何時でも着火燃焼が可能である。それにより、本実施形態によれば、燃料噴射時期及び点火時期の自由な設定が可能であり、機関回転数にかかわらず、比較的多量の燃料を噴射しても、可燃混合気を点火時点において確実に点火プラグ近傍に位置させ、良好な成層燃焼を実現することができる。こうして、燃料消費率の低い成層燃焼の運転領域を、高回転高負荷側へ確実に拡大することが可能となる。
【００２７】
また、本実施形態においても、キャビティ１８の側壁１８ｂにおける燃料誘導部の一部が吸気ポート気筒内開口に隣接しているために、前述同様、均質燃焼に際して、噴射燃料は吸気ポート気筒内開口から流入する吸気流によって十分に攪拌される。それにより、点火時点において、気筒内には十分に均質化された均質混合気が形成され、良好な均質燃焼も実現可能である。
【００２８】
図５は、第二実施形態の変形例を示すプラグポケット部１８ｃ’の拡大図である。本変形例のプラグポケット部１８ｃ’は、プラグポケット部１８ｃ’に通じる燃料誘導部の終端に、キャビティ１８’の内方向に突出する障壁１８ｄ’が設けられている。このような構成によって、燃料誘導部上を進行して気化した燃料は、障壁１８ｄ’によって一旦はキャビティ１８’の内方向に向けられるが、直ぐにコアンダ効果によってプラグポケット１８ｃ’内へ進入して点火プラグ６近傍にドットで示す可燃混合気を形成する。
【００２９】
また、液状の燃料がプラグポケット部１８ｃ’に達する場合には、この液状燃料は、図５に斜線で示すように、障壁１８ｄ’に衝突して微粒化されるために容易に気化し、この微粒化位置も点火プラグ６近傍であるために、燃料誘導部からの受熱によって気化した気化燃料と共に、点火プラグ６近傍に可燃混合気を形成する。
【００３０】
こうして、この変形例によっても、良好な可燃混合気を点火時点において確実に点火プラグ近傍に位置させ、良好な成層燃焼を実現することができる。また、この変形例においては、液状燃料が、点火プラグ６の点火ギャップに付着する可能性がないために、点火ギャップにおけるデポジットの堆積を減少させ、点火プラグ６の寿命を延長することができる。
【００３１】
本変形例において設けた障壁１８ｄ’は、プラグポケットを有しない第一実施形態のようなキャビティ８においても有効であり、障壁を燃料誘導部の点火プラグ６近傍における点火プラグ６の先側に設ければ、液状燃料及び気化燃料の点火プラグ６の通過を防止することができ、点火時点において可燃混合気を確実に点火プラグ６近傍に位置させるのに有利となる。また、障壁を点火プラグ６近傍における点火プラグ６の手前側に設ければ、液状燃料及び気化燃料の点火プラグ６の通過防止に加えて、液状燃料が点火プラグ６を直撃することを防止することができる。
【００３２】
図６は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第三実施形態を示す気筒上部の底面図である。前述の実施形態と比較して同じ参照番号は同じ構成要素を示しており、以下に第二実施形態との違いについてのみ説明する。本実施形態のキャビティ２８の側壁２８ｂは、互いに隣接する一つの吸気ポート１の気筒内開口及び一つの排気ポート２の気筒内開口と点火プラグ６とを同時に取り囲むように形成され、第二実施形態又はその変形例と同様なプラグポケット部２８ｃを有している。燃料噴射弁７’は、図６に斜線で示すように、第二実施形態と同様に、キャビティ２８の側壁２８ｂにおける吸気ポート１近傍に燃料を衝突させるようになっている。
【００３３】
このような構成によれば、第二実施形態と同様な効果を有することに加えて、キャビティ２８の側壁２８ｂにおける燃料誘導部は、部分的に吸気ポート気筒内開口に隣接すると共に排気ポート気筒内開口にも隣接するために、燃料誘導部の温度は高まり、燃料誘導部上を進行する燃料をさらに良好に気化させることがでる。それにより、圧縮行程での燃料噴射量をさらに増加させることができ、燃料消費率の低い成層燃焼の運転領域を、さらに高回転高負荷側へ確実に拡大することが可能となる。
【００３４】
図７は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第四実施形態を示す気筒上部の底面図である。前述の実施形態と比較して同じ参照番号は同じ構成要素を示しており、以下に第三実施形態との違いについてのみ説明する。本実施形態のキャビティ３８の側壁３８ｂは、互いに対角線上に位置する一つの吸気ポート１の気筒内開口及び一つの排気ポート２の気筒内開口と点火プラグ６とを同時に取り囲むように、８の字形状とされている。燃料噴射弁７’は、図７に斜線で示すように、第二実施形態と同様に、キャビティ３８の側壁３８ｂにおける吸気ポート１近傍に燃料を衝突させるようになっている。
【００３５】
このような構成によれば、燃料噴射弁７’から噴射された燃料が多量であれば、キャビティ３８の側壁３８ｂに沿って、図７に矢印で示すように８の字を描き進行することとなる。こうして、本実施形態においては、燃料誘導部は側壁３８ｂのほぼ全体となる。成層燃焼時において、燃料噴射量が少なくて点火時期近くで燃料噴射が開始される場合には、燃料は燃料誘導部の吸気ポート気筒内開口に隣接する部分を通過した時点で全てが可燃混合気となり、この可燃混合気が点火プラグ６を通過するまで着火燃焼が可能である。
【００３６】
燃料噴射量が増加して燃料噴射開始時期が早められる場合には、燃料は燃料誘導部の吸気ポート気筒内開口に隣接する部分を通過した時点では全てが可燃混合気となってはおらず、さらに燃料誘導部の排気ポート気筒内開口に隣接する部分を通過して可燃混合気となり、この可燃混合気が再び点火プラグ６を通過するまでに着火燃焼が可能である。この場合において、燃料誘導部は比較的長い範囲において排気ポート気筒内開口に隣接しているために、この範囲部分における燃料誘導部の温度は高まり、比較的多量の燃料も十分に気化させることができる。
【００３７】
さらに燃料噴射量が増加して燃料噴射開始時期がさらに早められる場合にも、排気ポート気筒内開口に隣接する燃料誘導部の比較的長い範囲部分によって、噴射された燃料を確実に気化させることがでる。こうして形成された比較的長い可燃混合気は、燃料誘導部の吸気ポート気筒内開口に隣接する部分を通過してさらに再び点火プラグ６近傍に達し、その後、点火プラグ６を通過するまでに着火燃焼が可能である。
【００３８】
こうして、各燃料噴射量に対して、可燃混合気を点火時点において確実に点火プラグ近傍に位置させることができ、良好な成層燃焼を実現することができる。また、均質燃焼時において、燃料誘導部の一部が吸気ポート気筒内開口に隣接しているために、噴射燃料は、吸気ポート気筒内開口から流入する吸気流によって十分に攪拌される。この時、もし、一部の燃料が吸気流によって攪拌されることなく、燃料誘導部上を先に進行したとしても、成層燃焼時において説明したように、燃料誘導部の吸気ポート気筒内開口隣接部分に再び戻って来るために、噴射された全ての燃料の吸気流による十分な攪拌が保証され、点火時点においてさらに良好な均質混合気の形成が可能である。
【００３９】
図８は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第五実施形態を示す気筒上部の底面図である。前述の実施形態と比較して同じ参照番号は同じ構成要素を示しており、以下に第一実施形態との違いについてのみ説明する。本実施形態のキャビティ４８の側壁４８ｂは、第一実施形態と同様に、二つの吸気ポート１の気筒内開口と点火プラグ６’とを同時に取り囲むように形成されている。しかしながら、点火プラグ６’は、気筒中心から吸気ポート側に偏在しており、側壁４８ｂの燃料誘導部は、二つの吸気ポート気筒内開口のそれぞれに対して比較的長い範囲部分で隣接している。
【００４０】
このような構成によれば、第一実施形態と同様な効果を有することに加えて、均質燃焼時において、噴射燃料を吸気流と十分に接触させて、さらに良好な攪拌が可能となり、点火時点において、気筒内にさらに良好な均質混合気を形成することができる。
【００４１】
図９は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第六実施形態を示す気筒上部の底面図である。前述の実施形態と比較して同じ参照番号は同じ構成要素を示しており、以下に第一実施形態との違いについてのみ説明する。本実施形態のキャビティ５８の形状は、ほぼ第一実施形態と同様に燃料噴射弁７”の中心軸線と点火プラグ６の中心軸線とを通る垂直平面に対して対称であり、側壁５８ｂが二つの吸気ポート１の気筒内開口と点火プラグ６とを取り囲むようになっている。燃料噴射弁７”は、一方向に燃料を厚さの薄い扇状に噴射するものであるが、扇形状噴霧の中央部分が点火プラグ中心軸線へ向けられるようになっている。好ましくは、点火プラグ６は、噴射燃料が点火ギャップを直撃しないように、高さ設定されている。
【００４２】
こうして、噴射燃料各部は、キャビティ５８の側壁５８ｂに衝突することとなり、側壁５８ｂの燃料衝突範囲における形状は、燃料各部分が側壁５８ｂの延在方向に対して鋭角度で衝突するようになっている。このような構成において、側壁５８ｂのこの燃料衝突範囲が燃料誘導部となり、燃料各部は、側壁５８ｂに衝突した後に、自身の慣性力によって側壁５８ｂの燃料誘導部に沿って点火プラグ６方向へ導かれる。
【００４３】
前述した側壁５８ｂの対称形状によって、点火プラグ６から等しい距離において側壁に衝突する二つの燃料部分は、点火プラグ６方向へのほぼ等しい慣性力を有するために、同時期に点火プラグ６近傍に達して互いに衝突して点火プラグ６近傍に可燃混合気を形成する。こうして、各燃料部分によって点火プラグ６には一塊の可燃混合気が形成され、この可燃混合気は常に点火プラグ６に接触しているために常に着火燃焼可能であり、点火時点において確実に可燃混合気を点火プラグ６近傍に位置させることができ、良好な成層燃焼が実現可能となる。
【００４４】
また、本実施形態のキャビティ５８の側壁５８ｂは、特に、点火プラグ６に近い衝突位置におけるほど、燃料が大きな鋭角度で側壁５８ｂに衝突するようになっている。それにより、点火プラグ６から遠い衝突位置で衝突する燃料部分ほど、点火プラグ６方向への慣性力は大きくなり、同時に噴射された燃料各部はほぼ同時に点火プラグ６近傍に達し、互いに衝突して点火プラグ６近傍に可燃混合気を形成する。それにより、特に燃料噴射量が少ない時にも、点火時点で確実に一塊の可燃混合気を点火プラグ６近傍に位置させることができ、良好な成層燃焼が実現可能である。
【００４５】
また、本実施形態においては、均質燃焼時に、燃料噴射弁から噴射されてキャビティ５８内を飛行する燃料噴霧が、これまでの実施形態に比較して、吸気ポート開口部を大きく横切るために、吸気流によるさらに十分な攪拌が保証され、点火時点においてさらに良好な均質混合気の形成が可能である。
【００４６】
図１０は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第七実施形態を示す概略縦断面図である。前述の実施形態と比較して同じ参照番号は同じ構成要素を示しており、以下に第一実施形態との違いについてのみ説明する。本実施形態のキャビティ８’は、側壁の高さが、点火プラグ６側に比較して燃料噴射弁７側が低くされている。
【００４７】
スリット状噴孔を有する燃料噴射弁７から噴射される燃料は、厚さの薄い扇状燃料噴霧となるが、この燃料噴霧の厚さは、噴霧の飛行距離が長いほど及び側壁衝突後の移動距離が長いほど、徐々に大きくなってしまう。それにより、燃料のキャビティ外への流出を防止するためには、点火プラグ６近傍における側壁の高さは、比較的高くしなければならない。
【００４８】
第一実施形態のように、燃料噴射弁７側の側壁の高さも同様に高くすると、キャビティ内の表面積が大きくなって燃焼時のキャビティの受熱面積が増大し、熱損失が増加してしまう。本実施形態の構成では、キャビティ８’の受熱面積が小さくなり、熱損失を低減できる。本実施形態の考え方は、第一実施形態のキャビティに限定されることなく、全ての実施形態におけるキャビティに適用可能である。
【００４９】
これまで説明したキャビティ形状は、吸気行程燃料噴射による均質燃焼を良好なものとするために、燃料誘導部の少なくとも一部分が吸気ポート気筒内開口に隣接するようにしたが、もちろん、成層燃焼だけに注目すれば、キャビティの側壁は点火プラグ及び排気ポート気筒内開口だけを取り囲むようにしても良い。
【００５０】
前述した全ての実施形態において、燃料噴射弁は、燃料を厚さの薄い扇状に噴射するものとした。これは、本発明を限定するものではなく、燃料を円錐状又は柱状に噴射するようにしても良い。但し、第七実施形態で説明したように、いずれの燃料噴霧においても、噴霧の飛行距離及びキャビティ側壁衝突後の移動距離に応じた噴霧の高さ方向の拡がりを考慮し、噴射された大部分の燃料がキャビティ外へ流出しないように、燃料噴霧を選択しなければならない。それにより、複数の細噴孔を有して燃料を複数の細い柱状に噴射する燃料噴射弁は、全実施形態で使用した燃料噴射弁に代えて、特に利用価値が高い。
【００５１】
また、燃料噴射弁は、前述の全ての実施形態において、全てキャビティ側壁に取り付けられているが、これも本発明を限定するものではない。前述同様に、噴射された大部分の燃料がキャビティ外へ流出しないように、燃料噴射方向及びキャビティ形状が設定されれば、特に、キャビティ外に燃料噴射弁を配置するようにしても良い。
【００５２】
【発明の効果】
このように、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、点火プラグと、気筒上壁に形成されたキャビティと、主な燃料がキャビティの側壁の延在方向に対して鋭角度で側壁に衝突するように燃料を噴射する燃料噴射弁とを具備し、キャビティの側壁は燃料誘導部を有し、主な燃料は燃料誘導部に沿ってキャビティ内に位置する点火プラグ近傍に導かれ、燃料噴射弁は、主な燃料を少なくとも二方向に別けて噴射し、二方向に噴射された主な燃料は、互いに逆方向に燃料誘導部に沿って点火プラグ近傍に導かれて互いに衝突し、点火プラグ近傍に可燃混合気として留まるように、又は、燃料誘導部は、点火プラグ近傍において、燃料誘導部に沿う液状燃料が衝突する障壁部を有し、液状燃料は、障壁部に衝突して点火プラグ近傍に可燃混合気として留まるようになっている。それにより、主な可燃混合気を点火時点で確実に点火プラグ近傍に位置させて良好な成層燃焼が実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第一実施形態を示す概略気筒縦断面図である。
【図２】第一実施形態の気筒上部の底面図である。
【図３】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第二実施形態を示す気筒上部の底面図である。
【図４】第二実施形態のプラグポケット部の拡大図である。
【図５】プラグポケット部の変形例を示す拡大図である。
【図６】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第三実施形態を示す気筒上部の底面図である。
【図７】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第四実施形態を示す気筒上部の底面図である。
【図８】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第五実施形態を示す気筒上部の底面図である。
【図９】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第六実施形態を示す気筒上部の底面図である。
【図１０】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第七実施形態を示す概略気筒縦断面図である。
【符号の説明】
１…吸気ポート
２…排気ポート
３…吸気弁
４…排気弁
５…ピストン
６，６’…点火プラグ
７，７’，７”…燃料噴射弁
８，８’，１８，２８，３８，４８，５８…キャビティ
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備する筒内噴射式火花点火内燃機関は、一般的に、圧縮行程末期にピストン頂面に形成されたキャビティ内へ燃料を噴射することにより、燃料をピストン熱を利用して気化させると共に点火プラグ近傍へ導き、点火時点において、着火性の良好な可燃混合気を点火プラグ近傍だけに形成し、気筒内全体としてリーンな混合気を燃焼可能な成層燃焼を実現するものである。
【０００３】
このような筒内噴射式火花点火内燃機関では、燃料を確実にキャビティ内へ噴射するために、燃料噴射時期がピストン位置に制約されることとなり、燃料噴射の自由度が低い。それにより、特に、機関回転数の上昇に伴って圧縮行程でのピストン上昇速度が速くなると、燃料噴射可能なピストン最下位置から点火までの時間が短くなり、良好な可燃混合気の形成が困難となる。この問題を解決するために、特開昭６０−２６１９２２号公報には、キャビティをシリンダヘッドに形成して燃料噴射の自由度を高めることが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の従来技術のように、シリンダヘッドにキャビティを形成して、単にキャビティ内へ燃料を噴射しても、点火時点において、噴射された燃料が全て気化して可燃混合気を形成しているとは限らず、また、可燃混合気が形成されたとしても主な可燃混合気がキャビティ外へ流出したりして点火プラグ近傍に位置していない可能性もある。
【０００５】
従って、本発明の目的は、気筒上壁に可燃混合気を形成するためのキャビティを有する筒内噴射式火花点火内燃機関において、主な可燃混合気を点火時点で確実に点火プラグ近傍に位置させ良好な成層燃焼を実現可能とすることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
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、点火プラグと、気筒上壁に形成されたキャビティと、主な燃料が前記キャビティの側壁の延在方向に対して鋭角度で前記側壁に衝突するように燃料を噴射する燃料噴射弁とを具備し、前記キャビティの側壁は燃料誘導部を有し、前記主な燃料は前記燃料誘導部に沿って前記キャビティ内に位置する前記点火プラグ近傍に導かれ、前記燃料噴射弁は、前記主な燃料を少なくとも二方向に別けて噴射し、二方向に噴射された前記主な燃料は、互いに逆方向に前記燃料誘導部に沿って前記点火プラグ近傍に導かれて互いに衝突し、前記点火プラグ近傍に可燃混合気として留まることを特徴とする。
【０００７】
また、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、点火プラグと、気筒上壁に形成されたキャビティと、主な燃料が前記キャビティの側壁の延在方向に対して鋭角度で前記側壁に衝突するように燃料を噴射する燃料噴射弁とを具備し、前記キャビティの側壁は燃料誘導部を有し、前記主な燃料は前記燃料誘導部に沿って前記キャビティ内に位置する前記点火プラグ近傍に導かれ、前記燃料誘導部は、前記点火プラグ近傍において、前記燃料誘導部に沿う液状燃料が衝突する障壁部を有し、前記液状燃料は、前記障壁部に衝突して前記点火プラグ近傍に可燃混合気として留まることを特徴とする。
【０００８】
また、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又は２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料誘導部の少なくとも一部分は、吸気ポート気筒内開口に隣接していることを特徴とする。
【０００９】
また、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又は２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料誘導部の少なくとも一部分は、排気ポート気筒内開口に隣接していることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明による請求項５に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１又は２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁は、燃料を厚さの薄い平らな扇形状噴霧として噴射することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第一実施形態を示す概略縦断面図であり、図２は第一実施形態の気筒上部の底面図である。これらの図において、１は吸気ポート、２は排気ポートである。吸気ポート１は吸気弁３を介して、排気ポート２は排気弁４を介して、それぞれ気筒内へ通じている。５はピストンである。気筒上部にはキャビティ８が形成され、キャビティ８の上壁８ａには、二つの吸気ポート１が開口すると共に、気筒上部略中心に位置する点火プラグ６が突出している。キャビティ８の側壁８ｂは、こうして、二つの吸気ポート１の気筒内開口と点火プラグ６とを同時に取り囲むように形成され、特に、点火プラグ６は側壁８ｂ近傍に位置するようになっている。燃料噴射弁７は、キャビティ８の側壁８ｂにおける点火プラグ６の対向側に配置されている。
【００１３】
また、燃料噴射弁７は、スリット状噴孔を有し、燃料を厚さの薄い扇状に噴射するものである。本実施形態の燃料噴射弁７は、特に、二つのスリット状噴孔を有し、図２に斜線で示すように、燃料を燃料の厚さ方向とキャビティ８の側壁８ｂの高さ方向とをほぼ一致させて、二方向に噴射するようになっている。燃料噴射弁７から二方向に噴射された燃料は、それぞれにおける燃料各部分がキャビティ８の側壁８ｂの延在方向に対して鋭角度で側壁８ｂに衝突するように、燃料噴射方向及びキャビティ８の側壁８ｂ形状が設定されている。
【００１４】
また、キャビティ８の側壁８ｂの横断面形状は、特に、燃料噴射弁７の中心軸線と点火プラグ６の中心軸線とを通る垂直平面に対して略対称となっており、燃料噴射弁７から噴射される二方向の扇状燃料噴霧は、この垂直平面に対して互いに略対称とされている。
【００１５】
キャビティ８の側壁８ｂに衝突する燃料は、それぞれ、自身の慣性力によって側壁８ｂに沿って側壁８ｂ近傍の点火プラグ６方向へ進行する。こうして、側壁８ｂの一部は、燃料を点火プラグ６近傍へ導く燃料誘導部となる。本実施形態においては、前述の構成によって、側壁８ｂにおける二つの燃料衝突位置から点火プラグ６近接位置までのそれぞれの距離がほぼ等しくなるために、図２に斜線で示す液状燃料は、側壁８ｂに衝突した後に、それぞれ、燃料誘導部を進行する際の受熱によって徐々に気化し、点火プラグ６近傍位置に達して互いに衝突することにより、この位置にドットで示す可燃混合気を形成する。燃料誘導部は、以下に説明する実施形態を含めて、燃料噴霧の高さ中心平面に対して直交するようになっているために燃料誘導部上を進行する液状燃料がキャビティ外に流出することはなく、噴射された全燃料によって可燃混合気が形成される。
【００１６】
本実施形態において、燃料は気筒上部に形成されたキャビティ８内へ噴射するために、ピストン位置にかかわらずに圧縮行程初期から燃料を噴射することも可能である。それにより、比較的多量の燃料噴射も可能となるが、この場合には、特に燃料噴射後期において、これまでの燃料気化によりキャビティ８の側壁８ｂにおける燃料誘導部が温度低下し、燃料の燃料誘導部からの受熱が不十分となって、液状の燃料が点火プラグ６近傍に達する可能性がある。しかしながら、この液状燃料は、点火プラグ６近傍で互いに衝突して微粒化するために、容易に気化し、比較的多量の燃料を噴射しても点火プラグ６近傍に可燃混合気を形成することができる。
【００１７】
圧縮行程末期となって気筒上部の排気ポート側からスキッシュ流が発生しても、このスキッシュ流は、点火プラグ６近傍に形成された可燃混合気に作用することはない。こうして、この可燃混合気は、点火プラグ６近傍から移動する要因がないために、この位置に留まり、何時でも着火燃焼が可能である。このように、本実施形態によれば、燃料噴射時期及び点火時期の自由な設定が可能であり、機関回転数にかかわらず、比較的多量の燃料を噴射しても、可燃混合気を点火時点において確実に点火プラグ近傍に位置させ、良好な成層燃焼を実現することができる。こうして、燃料消費率の低い成層燃焼の運転領域を、高回転高負荷側へ確実に拡大することが可能となる。
【００１８】
また、多量の燃料が必要な機関高負荷時等には、吸気行程で燃料を噴射して均質燃焼を実施する。本実施形態において、キャビティ８の側壁８ｂにおける燃料誘導部の一部が吸気ポート気筒内開口に隣接しているために、均質燃焼には、燃料噴射弁７から噴射される燃料は、飛行中に吸気ポート気筒内開口を横切り、その際に吸気ポート気筒内開口から流入する吸気流によって攪拌され、また、燃料誘導部に達した燃料も、燃料誘導部を進行中に吸気流によって十分に攪拌される。それにより、本実施形態によれば、点火時点において、気筒内には十分に均質化された均質混合気が形成され、良好な均質燃焼も実現可能である。
【００１９】
本実施形態において、燃料噴射弁７の燃料噴射方向を二方向として、それぞれの燃料をキャビティ８の側壁８ｂの燃料誘導部に沿わせて点火プラグ６近傍で衝突させるようにしたが、これは、本発明を限定するものではなく、燃料噴射方向を一方向とすることも可能である。この場合には、成層燃焼時において、噴射された燃料は、キャビティ８の側壁８ｂに沿って移動する細長い可燃混合気を形成することとなり、この細長い可燃混合気は、点火プラグ６の点火ギャップと比較的長い時間接触し、この間の着火燃焼が可能であるために、燃料噴射時期及び点火時期の比較的自由な設定が可能となる。それにより、機関回転数にかかわらず、比較的多量の燃料を噴射しても、可燃混合気を点火時点において確実に点火プラグ近傍に位置させ、良好な成層燃焼を実現することができる。また、この場合において、成層燃焼時に比較的多量の燃料が噴射されると、キャビティ８の側壁８ｂに沿っての環状の可燃混合気が形成され、この可燃混合気は常に点火プラグ６に接触していて何時でも着火燃焼が可能となり、この時にも良好な成層燃焼が実現可能である。
【００２０】
もちろん、一方向の燃料噴射でも、キャビティ８の側壁８ｂにおける燃料誘導部の一部は吸気ポート気筒内開口に隣接しており、前述同様に、良好な均質燃焼も実現可能である。また、第一実施形態におけるキャビティ８の側壁８ｂは、二つの吸気ポートの気筒内開口と点火プラグ６とを取り囲むようにしたが、もちろん、吸気一弁式の場合、また、吸気二弁式でも、キャビティ８の側壁８ｂが、一つの吸気ポートと点火プラグとだけを取り囲むようにしても良い。
【００２１】
図３は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第二実施形態を示す気筒上部の底面図である。第一実施形態と比較して同じ参照番号は同じ構成要素を示しており、以下に第一実施形態との違いについてのみ説明する。本実施形態のキャビティ１８の側壁１８ｂは、第一実施形態と同様に二つの吸気ポート１の気筒内開口と点火プラグ６とを同時に取り囲むように形成され、特に、点火プラグ６の周囲を半分以上取り囲むプラグポケット部１８ｃを有している。
【００２２】
また、燃料噴射弁７’は、図３に斜線で示すように燃料を、燃料の厚さ方向とキャビティ８の側壁８ｂの高さ方向とをほぼ一致させて一方向に噴射し、燃料各部分がキャビティ８の側壁１８ｂの延在方向に対して鋭角度で側壁１８ｂに衝突するように、燃料噴射方向及びキャビティ８の側壁１８ｂ形状が設定されている。
【００２３】
図４は、プラグポケット部１８ｃの形状を示す拡大図である。本実施形態において、キャビティ１８の側壁１８ｂにおける燃料誘導部は、燃料噴射弁７’から噴射された燃料が衝突する位置からプラグポケット部１８ｃまでとなる。図４に示すように、燃料誘導部から先のキャビティ１８の側壁１８ｂは、燃料誘導部の延長面がプラグポケット部１８ｃの壁面と交差するように形成されている。
【００２４】
このような構成によって、図３に斜線で示す液状燃料は、キャビティ１８の側壁１８ｂに衝突した後に、自身の慣性力によって燃料誘導部に沿ってプラグポケット部１８ｃに達し、これまでに燃料誘導部からの受熱によって気化した燃料は、一点鎖線の矢印で示すように、コアンダ効果によってプラグポケット部１８ｃ内へ進入すると共に、プラグポケット部１８ｃの反対側にも膨らんで点火プラグ６近傍にドットで示す可燃混合気を形成する。
【００２５】
比較的多量の燃料噴射によって、前述同様に、液状の燃料がプラグポケット部１８ｃに達する可能性がある。しかしながら、この液状燃料は、図４に斜線で示すように、プラグポケット部１８ｃの壁面に衝突して微粒化されるために、容易に気化し、燃料誘導部からの受熱によって気化した気化燃料と共に、点火プラグ６近傍に可燃混合気を形成することができる。
【００２６】
こうして形成された可燃混合気は、点火プラグ６近傍から移動する要因がないために、この位置に留まり、何時でも着火燃焼が可能である。それにより、本実施形態によれば、燃料噴射時期及び点火時期の自由な設定が可能であり、機関回転数にかかわらず、比較的多量の燃料を噴射しても、可燃混合気を点火時点において確実に点火プラグ近傍に位置させ、良好な成層燃焼を実現することができる。こうして、燃料消費率の低い成層燃焼の運転領域を、高回転高負荷側へ確実に拡大することが可能となる。
【００２７】
また、本実施形態においても、キャビティ１８の側壁１８ｂにおける燃料誘導部の一部が吸気ポート気筒内開口に隣接しているために、前述同様、均質燃焼に際して、噴射燃料は吸気ポート気筒内開口から流入する吸気流によって十分に攪拌される。それにより、点火時点において、気筒内には十分に均質化された均質混合気が形成され、良好な均質燃焼も実現可能である。
【００２８】
図５は、第二実施形態の変形例を示すプラグポケット部１８ｃ’の拡大図である。本変形例のプラグポケット部１８ｃ’は、プラグポケット部１８ｃ’に通じる燃料誘導部の終端に、キャビティ１８’の内方向に突出する障壁１８ｄ’が設けられている。このような構成によって、燃料誘導部上を進行して気化した燃料は、障壁１８ｄ’によって一旦はキャビティ１８’の内方向に向けられるが、直ぐにコアンダ効果によってプラグポケット１８ｃ’内へ進入して点火プラグ６近傍にドットで示す可燃混合気を形成する。
【００２９】
また、液状の燃料がプラグポケット部１８ｃ’に達する場合には、この液状燃料は、図５に斜線で示すように、障壁１８ｄ’に衝突して微粒化されるために容易に気化し、この微粒化位置も点火プラグ６近傍であるために、燃料誘導部からの受熱によって気化した気化燃料と共に、点火プラグ６近傍に可燃混合気を形成する。
【００３０】
こうして、この変形例によっても、良好な可燃混合気を点火時点において確実に点火プラグ近傍に位置させ、良好な成層燃焼を実現することができる。また、この変形例においては、液状燃料が、点火プラグ６の点火ギャップに付着する可能性がないために、点火ギャップにおけるデポジットの堆積を減少させ、点火プラグ６の寿命を延長することができる。
【００３１】
本変形例において設けた障壁１８ｄ’は、プラグポケットを有しない第一実施形態のようなキャビティ８においても有効であり、障壁を燃料誘導部の点火プラグ６近傍における点火プラグ６の先側に設ければ、液状燃料及び気化燃料の点火プラグ６の通過を防止することができ、点火時点において可燃混合気を確実に点火プラグ６近傍に位置させるのに有利となる。また、障壁を点火プラグ６近傍における点火プラグ６の手前側に設ければ、液状燃料及び気化燃料の点火プラグ６の通過防止に加えて、液状燃料が点火プラグ６を直撃することを防止することができる。
【００３２】
図６は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第三実施形態を示す気筒上部の底面図である。前述の実施形態と比較して同じ参照番号は同じ構成要素を示しており、以下に第二実施形態との違いについてのみ説明する。本実施形態のキャビティ２８の側壁２８ｂは、互いに隣接する一つの吸気ポート１の気筒内開口及び一つの排気ポート２の気筒内開口と点火プラグ６とを同時に取り囲むように形成され、第二実施形態又はその変形例と同様なプラグポケット部２８ｃを有している。燃料噴射弁７’は、図６に斜線で示すように、第二実施形態と同様に、キャビティ２８の側壁２８ｂにおける吸気ポート１近傍に燃料を衝突させるようになっている。
【００３３】
このような構成によれば、第二実施形態と同様な効果を有することに加えて、キャビティ２８の側壁２８ｂにおける燃料誘導部は、部分的に吸気ポート気筒内開口に隣接すると共に排気ポート気筒内開口にも隣接するために、燃料誘導部の温度は高まり、燃料誘導部上を進行する燃料をさらに良好に気化させることがでる。それにより、圧縮行程での燃料噴射量をさらに増加させることができ、燃料消費率の低い成層燃焼の運転領域を、さらに高回転高負荷側へ確実に拡大することが可能となる。
【００３４】
図７は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第四実施形態を示す気筒上部の底面図である。前述の実施形態と比較して同じ参照番号は同じ構成要素を示しており、以下に第三実施形態との違いについてのみ説明する。本実施形態のキャビティ３８の側壁３８ｂは、互いに対角線上に位置する一つの吸気ポート１の気筒内開口及び一つの排気ポート２の気筒内開口と点火プラグ６とを同時に取り囲むように、８の字形状とされている。燃料噴射弁７’は、図７に斜線で示すように、第二実施形態と同様に、キャビティ３８の側壁３８ｂにおける吸気ポート１近傍に燃料を衝突させるようになっている。
【００３５】
このような構成によれば、燃料噴射弁７’から噴射された燃料が多量であれば、キャビティ３８の側壁３８ｂに沿って、図７に矢印で示すように８の字を描き進行することとなる。こうして、本実施形態においては、燃料誘導部は側壁３８ｂのほぼ全体となる。成層燃焼時において、燃料噴射量が少なくて点火時期近くで燃料噴射が開始される場合には、燃料は燃料誘導部の吸気ポート気筒内開口に隣接する部分を通過した時点で全てが可燃混合気となり、この可燃混合気が点火プラグ６を通過するまで着火燃焼が可能である。
【００３６】
燃料噴射量が増加して燃料噴射開始時期が早められる場合には、燃料は燃料誘導部の吸気ポート気筒内開口に隣接する部分を通過した時点では全てが可燃混合気となってはおらず、さらに燃料誘導部の排気ポート気筒内開口に隣接する部分を通過して可燃混合気となり、この可燃混合気が再び点火プラグ６を通過するまでに着火燃焼が可能である。この場合において、燃料誘導部は比較的長い範囲において排気ポート気筒内開口に隣接しているために、この範囲部分における燃料誘導部の温度は高まり、比較的多量の燃料も十分に気化させることができる。
【００３７】
さらに燃料噴射量が増加して燃料噴射開始時期がさらに早められる場合にも、排気ポート気筒内開口に隣接する燃料誘導部の比較的長い範囲部分によって、噴射された燃料を確実に気化させることがでる。こうして形成された比較的長い可燃混合気は、燃料誘導部の吸気ポート気筒内開口に隣接する部分を通過してさらに再び点火プラグ６近傍に達し、その後、点火プラグ６を通過するまでに着火燃焼が可能である。
【００３８】
こうして、各燃料噴射量に対して、可燃混合気を点火時点において確実に点火プラグ近傍に位置させることができ、良好な成層燃焼を実現することができる。また、均質燃焼時において、燃料誘導部の一部が吸気ポート気筒内開口に隣接しているために、噴射燃料は、吸気ポート気筒内開口から流入する吸気流によって十分に攪拌される。この時、もし、一部の燃料が吸気流によって攪拌されることなく、燃料誘導部上を先に進行したとしても、成層燃焼時において説明したように、燃料誘導部の吸気ポート気筒内開口隣接部分に再び戻って来るために、噴射された全ての燃料の吸気流による十分な攪拌が保証され、点火時点においてさらに良好な均質混合気の形成が可能である。
【００３９】
図８は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第五実施形態を示す気筒上部の底面図である。前述の実施形態と比較して同じ参照番号は同じ構成要素を示しており、以下に第一実施形態との違いについてのみ説明する。本実施形態のキャビティ４８の側壁４８ｂは、第一実施形態と同様に、二つの吸気ポート１の気筒内開口と点火プラグ６’とを同時に取り囲むように形成されている。しかしながら、点火プラグ６’は、気筒中心から吸気ポート側に偏在しており、側壁４８ｂの燃料誘導部は、二つの吸気ポート気筒内開口のそれぞれに対して比較的長い範囲部分で隣接している。
【００４０】
このような構成によれば、第一実施形態と同様な効果を有することに加えて、均質燃焼時において、噴射燃料を吸気流と十分に接触させて、さらに良好な攪拌が可能となり、点火時点において、気筒内にさらに良好な均質混合気を形成することができる。
【００４１】
図９は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第六実施形態を示す気筒上部の底面図である。前述の実施形態と比較して同じ参照番号は同じ構成要素を示しており、以下に第一実施形態との違いについてのみ説明する。本実施形態のキャビティ５８の形状は、ほぼ第一実施形態と同様に燃料噴射弁７”の中心軸線と点火プラグ６の中心軸線とを通る垂直平面に対して対称であり、側壁５８ｂが二つの吸気ポート１の気筒内開口と点火プラグ６とを取り囲むようになっている。燃料噴射弁７”は、一方向に燃料を厚さの薄い扇状に噴射するものであるが、扇形状噴霧の中央部分が点火プラグ中心軸線へ向けられるようになっている。好ましくは、点火プラグ６は、噴射燃料が点火ギャップを直撃しないように、高さ設定されている。
【００４２】
こうして、噴射燃料各部は、キャビティ５８の側壁５８ｂに衝突することとなり、側壁５８ｂの燃料衝突範囲における形状は、燃料各部分が側壁５８ｂの延在方向に対して鋭角度で衝突するようになっている。このような構成において、側壁５８ｂのこの燃料衝突範囲が燃料誘導部となり、燃料各部は、側壁５８ｂに衝突した後に、自身の慣性力によって側壁５８ｂの燃料誘導部に沿って点火プラグ６方向へ導かれる。
【００４３】
前述した側壁５８ｂの対称形状によって、点火プラグ６から等しい距離において側壁に衝突する二つの燃料部分は、点火プラグ６方向へのほぼ等しい慣性力を有するために、同時期に点火プラグ６近傍に達して互いに衝突して点火プラグ６近傍に可燃混合気を形成する。こうして、各燃料部分によって点火プラグ６には一塊の可燃混合気が形成され、この可燃混合気は常に点火プラグ６に接触しているために常に着火燃焼可能であり、点火時点において確実に可燃混合気を点火プラグ６近傍に位置させることができ、良好な成層燃焼が実現可能となる。
【００４４】
また、本実施形態のキャビティ５８の側壁５８ｂは、特に、点火プラグ６に近い衝突位置におけるほど、燃料が大きな鋭角度で側壁５８ｂに衝突するようになっている。それにより、点火プラグ６から遠い衝突位置で衝突する燃料部分ほど、点火プラグ６方向への慣性力は大きくなり、同時に噴射された燃料各部はほぼ同時に点火プラグ６近傍に達し、互いに衝突して点火プラグ６近傍に可燃混合気を形成する。それにより、特に燃料噴射量が少ない時にも、点火時点で確実に一塊の可燃混合気を点火プラグ６近傍に位置させることができ、良好な成層燃焼が実現可能である。
【００４５】
また、本実施形態においては、均質燃焼時に、燃料噴射弁から噴射されてキャビティ５８内を飛行する燃料噴霧が、これまでの実施形態に比較して、吸気ポート開口部を大きく横切るために、吸気流によるさらに十分な攪拌が保証され、点火時点においてさらに良好な均質混合気の形成が可能である。
【００４６】
図１０は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第七実施形態を示す概略縦断面図である。前述の実施形態と比較して同じ参照番号は同じ構成要素を示しており、以下に第一実施形態との違いについてのみ説明する。本実施形態のキャビティ８’は、側壁の高さが、点火プラグ６側に比較して燃料噴射弁７側が低くされている。
【００４７】
スリット状噴孔を有する燃料噴射弁７から噴射される燃料は、厚さの薄い扇状燃料噴霧となるが、この燃料噴霧の厚さは、噴霧の飛行距離が長いほど及び側壁衝突後の移動距離が長いほど、徐々に大きくなってしまう。それにより、燃料のキャビティ外への流出を防止するためには、点火プラグ６近傍における側壁の高さは、比較的高くしなければならない。
【００４８】
第一実施形態のように、燃料噴射弁７側の側壁の高さも同様に高くすると、キャビティ内の表面積が大きくなって燃焼時のキャビティの受熱面積が増大し、熱損失が増加してしまう。本実施形態の構成では、キャビティ８’の受熱面積が小さくなり、熱損失を低減できる。本実施形態の考え方は、第一実施形態のキャビティに限定されることなく、全ての実施形態におけるキャビティに適用可能である。
【００４９】
これまで説明したキャビティ形状は、吸気行程燃料噴射による均質燃焼を良好なものとするために、燃料誘導部の少なくとも一部分が吸気ポート気筒内開口に隣接するようにしたが、もちろん、成層燃焼だけに注目すれば、キャビティの側壁は点火プラグ及び排気ポート気筒内開口だけを取り囲むようにしても良い。
【００５０】
前述した全ての実施形態において、燃料噴射弁は、燃料を厚さの薄い扇状に噴射するものとした。これは、本発明を限定するものではなく、燃料を円錐状又は柱状に噴射するようにしても良い。但し、第七実施形態で説明したように、いずれの燃料噴霧においても、噴霧の飛行距離及びキャビティ側壁衝突後の移動距離に応じた噴霧の高さ方向の拡がりを考慮し、噴射された大部分の燃料がキャビティ外へ流出しないように、燃料噴霧を選択しなければならない。それにより、複数の細噴孔を有して燃料を複数の細い柱状に噴射する燃料噴射弁は、全実施形態で使用した燃料噴射弁に代えて、特に利用価値が高い。
【００５１】
また、燃料噴射弁は、前述の全ての実施形態において、全てキャビティ側壁に取り付けられているが、これも本発明を限定するものではない。前述同様に、噴射された大部分の燃料がキャビティ外へ流出しないように、燃料噴射方向及びキャビティ形状が設定されれば、特に、キャビティ外に燃料噴射弁を配置するようにしても良い。
【００５２】
【発明の効果】
このように、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、点火プラグと、気筒上壁に形成されたキャビティと、主な燃料がキャビティの側壁の延在方向に対して鋭角度で側壁に衝突するように燃料を噴射する燃料噴射弁とを具備し、キャビティの側壁は燃料誘導部を有し、主な燃料は燃料誘導部に沿ってキャビティ内に位置する点火プラグ近傍に導かれ、燃料噴射弁は、主な燃料を少なくとも二方向に別けて噴射し、二方向に噴射された主な燃料は、互いに逆方向に燃料誘導部に沿って点火プラグ近傍に導かれて互いに衝突し、点火プラグ近傍に可燃混合気として留まるように、又は、燃料誘導部は、点火プラグ近傍において、燃料誘導部に沿う液状燃料が衝突する障壁部を有し、液状燃料は、障壁部に衝突して点火プラグ近傍に可燃混合気として留まるようになっている。それにより、主な可燃混合気を点火時点で確実に点火プラグ近傍に位置させて良好な成層燃焼が実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第一実施形態を示す概略気筒縦断面図である。
【図２】第一実施形態の気筒上部の底面図である。
【図３】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第二実施形態を示す気筒上部の底面図である。
【図４】第二実施形態のプラグポケット部の拡大図である。
【図５】プラグポケット部の変形例を示す拡大図である。
【図６】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第三実施形態を示す気筒上部の底面図である。
【図７】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第四実施形態を示す気筒上部の底面図である。
【図８】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第五実施形態を示す気筒上部の底面図である。
【図９】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第六実施形態を示す気筒上部の底面図である。
【図１０】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第七実施形態を示す概略気筒縦断面図である。
【符号の説明】
１…吸気ポート
２…排気ポート
３…吸気弁
４…排気弁
５…ピストン
６，６’…点火プラグ
７，７’，７”…燃料噴射弁
８，８’，１８，２８，３８，４８，５８…キャビティ
Claims (5)
- 点火プラグと、気筒上壁に形成されたキャビティと、主な燃料が前記キャビティの側壁の延在方向に対して鋭角度で前記側壁に衝突するように燃料を噴射する燃料噴射弁とを具備し、前記キャビティの側壁は燃料誘導部を有し、前記主な燃料は前記燃料誘導部に沿って前記キャビティ内に位置する前記点火プラグ近傍に導かれ、前記燃料噴射弁は、前記主な燃料を少なくとも二方向に別けて噴射し、二方向に噴射された前記主な燃料は、互いに逆方向に前記燃料誘導部に沿って前記点火プラグ近傍に導かれて互いに衝突し、前記点火プラグ近傍に可燃混合気として留まることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
- 点火プラグと、気筒上壁に形成されたキャビティと、主な燃料が前記キャビティの側壁の延在方向に対して鋭角度で前記側壁に衝突するように燃料を噴射する燃料噴射弁とを具備し、前記キャビティの側壁は燃料誘導部を有し、前記主な燃料は前記燃料誘導部に沿って前記キャビティ内に位置する前記点火プラグ近傍に導かれ、前記燃料誘導部は、前記点火プラグ近傍において、前記燃料誘導部に沿う液状燃料が衝突する障壁部を有し、前記液状燃料は、前記障壁部に衝突して前記点火プラグ近傍に可燃混合気として留まることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
- 前記燃料誘導部の少なくとも一部分は、吸気ポート気筒内開口に隣接していることを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
- 前記燃料誘導部の少なくとも一部分は、排気ポート気筒内開口に隣接していることを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
- 前記燃料噴射弁は、燃料を厚さの薄い平らな扇形状噴霧として噴射することを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
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