JP3838346B2 - 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ことにより、点火時点において点火プラグ近傍だけに着火性の良好な混合気（以下、可燃混合気）を形成し、気筒内全体としては希薄な混合気の燃焼を可能にする成層燃焼が公知である。成層燃焼を実施する際には、一般的に、燃料噴射弁は、圧縮行程後半に燃料を噴射する。こうして噴射された燃料は、ピストン頂面に形成された凹状のキャビティ内へ進入し、キャビティ形状によって点火プラグ方向へ偏向され、点火プラグ近傍に可燃混合気を形成することが意図されている。
【０００３】
特開平９−１５８７３６号公報に開示されている筒内噴射式火花点火内燃機関では、点火プラグは気筒上部略中心に配置され、燃料噴射弁は燃料を厚さの薄い略扇形状に噴射するもので気筒上部周囲に配置されている。キャビティは、ピストン頂面略中央部から燃料噴射弁側のピストン頂面周囲部へ延在しており、底壁と、点火プラグ側側壁と、燃料噴射弁側側壁とを有している。斜め上方からキャビティ内に噴射された燃料は、キャビティの底壁に衝突した後に、底壁に沿って点火プラグ側側壁方向に進行し、その後、点火プラグ側側壁によって点火プラグ方向に偏向されるようになっている。噴射燃料は、キャビティの底壁及び点火プラグ側側壁から良好に受熱して気化し易い状態となっており、点火プラグ近傍に達した時点では十分に気化され、それにより、点火プラグ近傍に良好な可燃混合気を形成することができる。
【０００４】
ところで、一般的な筒内噴射式火花点火内燃機関では、このような成層燃焼だけでなく、例えば、高回転高負荷時において、吸気行程で燃料を噴射して気筒内に均質混合気を形成する均質燃焼も実施するようになっている。前述の筒内噴射式火花点火内燃機関において均質燃焼を実施すると、吸気行程で噴射される略扇形状噴霧は、斜め下方向に向けられ、すなわち、幅方向が気筒内の横方向と一致させられ、厚さ方向が気筒内の縦方向に対して斜めとされ、略扇形状噴霧は気筒内の横方向に拡がることとなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
吸気効率を高めるために、前述の筒内噴射式火花点火内燃機関では吸気二弁式とされており、燃料噴射弁は、気筒上部周囲における二つの吸気弁の間に設けられている。吸気行程で二つの吸気弁が開弁すると、各吸気ポートを介して気筒内へ供給される吸気は、一般的に、シリンダボアの排気弁側を下降してシリンダボアの吸気弁側を上昇するように気筒内を縦方向に旋回するタンブル流を生成し、気筒内には互いに平行な二つのタンブル流が生成されることとなる。
【０００６】
こうして、均質燃焼時に気筒上部周囲における二つの吸気弁の間から気筒内へ噴射された略扇形状噴霧は、僅かに幅方向に拡がった時点で二つのタンブル流と干渉することとなる。略扇形状噴霧は、自身慣性力によって幅方向に拡がりながら気筒内を飛行する間において燃料の微粒化及び気化が促進されるものであり、このように噴射から比較的早期にタンブル流と干渉することとなると、燃料噴霧の慣性力が早期に減衰して、燃料は十分に微粒化及び気化されないままタンブル流に乗って気筒内を移動するだけとなる。それにより、比較的大きな粒状の液体燃料を気筒内全体に分布させることはできても、これらを点火までに十分に気化させることはできない。
【０００７】
こうして、良好な均質混合気が形成されないために、均質燃焼を良好なものとすることはできない。この均質燃焼時における問題は、もちろん、同様な略扇形状噴霧によって均質燃焼だけを実施する筒内噴射式火花点火内燃機関においても発生する。
【０００８】
従って、本発明の目的は、吸気行程で略扇形状燃料噴霧を気筒内へ噴射して均質燃焼を実施する少なくとも二つの吸気弁を備える筒内噴射式火花点火内燃機関において、点火時点で気筒内に良好な均質混合気を形成可能とすることである。
【０００９】
【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、少なくとも二つの吸気弁と、気筒上部中心近傍から比較的厚さの薄い略扇形状噴霧として気筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグとを具備し、ピストン頂面には前記略扇形状噴霧を気筒上部方向へ偏向するためのキャビティが形成され、前記点火プラグは前記キャビティを臨み気筒上部に配置され、成層燃焼に際して、前記燃料噴射弁は圧縮行程後半において前記キャビティ内に燃料を噴射し、均質燃焼に際して、前記燃料噴射弁は、吸気行程においてピストンが圧縮行程後半のピストン位置より下降した時に、前記二つの吸気弁を介して気筒内へ供給される吸気により生成される互いに略平行な二つの縦旋回流の間における淀み領域内へ前記略扇形状噴霧の幅方向が前記淀み領域の中心縦平面と略平行となるように燃料を噴射することを特徴とする。
【００１１】
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、少なくとも二つの吸気弁と、気筒上部中心近傍から比較的厚さの薄い略扇形状噴霧として気筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグとを具備し、ピストン頂面には前記略扇形状噴霧を気筒上部方向へ偏向するためのキャビティが形成され、前記点火プラグは前記キャビティを臨み気筒上部に配置され、成層燃焼に際して、前記燃料噴射弁は圧縮行程後半において前記キャビティ内に燃料を噴射し、均質燃焼に際して、前記燃料噴射弁は、吸気行程においてピストンが圧縮行程後半のピストン位置より下降した時に、前記略扇形状噴霧の厚さ方向中心平面が気筒上部中心と前記二つの吸気弁との間を通って気筒内を二分割する仮想平面と同一面となるように燃料を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は図１における気筒上部の平面図である。ここで、気筒内における縦方向とはピストンの移動方向であり、気筒内における横方向とは縦方向に垂直な方向である。図１及び２において、１は二つの吸気ポート、２は二つの排気ポートである。各吸気ポート１は吸気弁３を介して、各排気ポート２は排気弁４を介して、それぞれ気筒内へ通じている。５はピストンであり、キャビティ８がピストン頂面に形成されている。６は気筒上部中心近傍に配置された点火プラグである。７は気筒上部中心近傍に点火プラグ６と隣接配置された燃料噴射弁である。
【００１３】
燃料噴射弁７は、スリット状の噴孔を有し、比較的厚さの薄い略扇形状噴霧１０として燃料を噴射するものである。尚、扇形状噴霧を形成する噴孔としては、スリット状に限定されることなく、円柱状の噴孔が直列的に配置されたもの等の他の形状の噴孔を使用可能である。略扇形状噴霧１０は、自身慣性力によって幅方向に拡がりながら気筒内を飛行する間において気筒内の吸気と十分に接触するために、吸気との摩擦によって燃料の微粒化及び気化が促進される。さらに、噴霧自身が有する強い慣性力で気筒内に強い流れを喚起するために、燃料と空気との混合促進作用と燃焼速度の向上作用とがもたらされる。
【００１４】
ところで、吸気行程において気筒上部に接続された吸気ポート１から気筒内へ供給される吸気は、シリンダボアの排気ポート側を下降してシリンダボアの吸気ポート側を上昇するタンブル流又はシリンダボアの吸気ポート側を下降してシリンダボアの排気ポート側を上昇する逆タンブル流等の縦旋回流を生成し易い。
【００１５】
それにより、均質燃焼を実施する際に略扇形状噴霧を気筒内へ単に噴射すると、略扇形状噴霧は、僅かに幅方向に拡がると気筒内に生成された縦旋回流と干渉することがあり、これでは、燃料噴霧は十分に微粒化及び気化されないまま縦旋回流に乗って気筒内を移動するだけとなり、液体燃料を点火までに十分に気化させることはできない。それにより、良好な均質混合気が気筒内に形成されず、良好な成層燃焼を実現することはできない。
【００１６】
二つの吸気弁を備えた筒内噴射式火花点火内燃機関では、各吸気ポートから気筒内へ供給された吸気が、それぞれ、気筒内に図１に矢印で示すような前述した縦旋回流を生成するが、二つの縦旋回流の間には吸気の淀み領域が形成される。図２において、気筒上部中心を通り二つの吸気弁の間に延在する中心縦平面Ａの両側近傍に位置する領域Ｓ１が、いずれの縦旋回流も存在しない淀み領域であり、この淀み領域Ｓ１に隣接する二つの領域Ｓ２及びＳ３が、それぞれ、縦旋回流が存在する旋回流領域となる。図１は、この中心縦平面Ａの位置での縦断面図である。尚、多くの吸気二弁式の筒内噴射式火花点火内燃機関では、中心縦平面Ａは、気筒内を二分割する仮想平面となる。
【００１７】
本実施形態では、図２に示すように、気筒上部中心近傍に配置された燃料噴射弁７は、略扇形状噴霧１０の幅方向が淀み領域の中心縦平面（前述の中心縦平面Ａと一致する）と略平行となるように、略扇形状噴霧１０を淀み領域Ｓ１内へ噴射するようになっている。それにより、均質燃焼時において吸気行程で噴射される略扇形状噴霧１０は気筒内を飛行中にいくら幅方向に拡がっても、気筒内の旋回流領域Ｓ２及びＳ３内へ拡がることはない。また、略扇形状噴霧１０は、気筒内を飛行中に厚さ方向にも僅かに拡がるが、比較的厚さが薄いために、気筒内の旋回流領域Ｓ２及びＳ３内まで拡がることはない。
【００１８】
こうして、吸気行程中において、略扇形状噴霧１０は、気筒内の縦旋回流と干渉することがないために、自身慣性力によって十分に微粒化及び気化される。圧縮行程となれば、二つの縦旋回流はピストン５の上昇に伴って潰されて気筒内全体の乱れとなり、この乱れが十分に微粒化及び気化された燃料を気筒内全体に分散させるために、点火時点においては、十分に均質化された均質混合気を気筒内に形成することができ、良好な均質燃焼が実現可能となる。
【００１９】
このような均質燃焼を実施するに際しては、燃料噴射弁７の位置は、気筒上部中心近傍としなくても、気筒上部の前述した中心縦平面近傍であれば良い。本実施形態のように、燃料噴射弁７の位置が気筒上部中心近傍である場合には、噴射される略扇形状噴霧の幅方向は気筒内の横方向に略一致するが、燃料噴射弁の位置がそれ以外の中心縦平面近傍である場合には、噴射される略扇形状噴霧の幅方向は、気筒内の横方向に対して傾くこととなる。
【００２０】
本実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関は、必要燃料量が多い高回転又は高負荷側では均質燃焼を実施し、必要燃料量が比較的少ない低回転又は低負荷側では成層燃焼を実施するようになっており、それにより、燃料噴射弁７の位置を気筒上部中心近傍としている。
【００２１】
成層燃焼は、噴射燃料によって点火プラグ６近傍だけに可燃混合気を形成し、気筒内全体としては希薄な混合気を燃焼可能とするものであり、均質燃焼に比較して必要な燃料噴射量が少ないことに加えて、気筒内へ供給される吸気量を絞る必要がなくポンピング損失を低減することができるために、燃費効率の高い燃焼方式である。
【００２２】
本実施形態において、成層燃焼を実施するためには、燃料噴射弁７は圧縮行程で燃料を噴射する。図３は、図１に対して垂直な方向における縦断面であり、成層燃焼時の圧縮行程後半を示している。ピストン５頂面に形成されたキャビティ８は、図４に示すように、略扇形状噴霧１０の幅方向に延在する細長い溝形状であり、その底壁は図３に示すようにキャビティ８の幅方向において凹状に湾曲している。
【００２３】
燃料噴射弁７から圧縮行程に噴射された燃料は、図３に示すように、キャビティ８の幅方向において、底壁中央部から偏倚して底壁に衝突し、その後、底壁中央部を介して底壁の幅方向の反対側から上方向へ偏向される。斜線で示す底壁への衝突直後の燃料は液体であるが、この時点で気筒内を飛行中における吸気との摩擦によって微粒化され気化し易い状態である。その後、キャビティ８の底壁上を進行中に受熱してさらに気化し易くされて、キャビティ８を臨むように気筒上部中心近傍に配置された点火プラグ６近傍へ達し、ドットで示す可燃混合気となる。こうして点火時点において点火プラグ６近傍に良好な可燃混合気を形成することができ、良好な成層燃焼も実現可能である。
【００２４】
ところで、一般的な筒内噴射式火花点火内燃機関では、燃料噴射弁が気筒上部周囲に配置されており、成層燃焼を実施するのに燃料噴霧を斜め下方向に噴射する。それにより、ピストン頂面のキャビティ内へ燃料を噴射可能な期間は比較的短く、すなわち、成層燃焼時に噴射可能な燃料量は比較的少なく、成層燃焼の運転領域を狭めることとなっていた。
【００２５】
本実施形態においては、略扇形状噴霧は、幅方向及び厚さ方向を気筒内の横方向に一致させて噴射されるために、すなわち、略扇形状噴霧は縦方向に噴射されるために、成層燃焼に際して圧縮初期又は吸気行程末期から燃料噴射を開始しても、燃料は、キャビティ内へ噴射されるために、キャビティを利用して点火プラグ６近傍へ偏向させられる。これは、成層燃焼時に噴射可能な燃料量を増大して燃費効率の高い成層燃焼の運転領域を高回転又は高負荷側へ拡大することを可能とし、成層燃焼の運転機会が増大するために燃料消費率を改善することができる。
【００２６】
図５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図３に相当する縦断面図であり、図６は図５のピストン平面図である。本実施形態において、均質燃焼に関しては第一実施形態と同様であり、成層燃焼における第一実施形態との違いを以下に説明する。本実施形態では、ピストン５頂面に形成されたキャビティ８１の形状が第一実施形態とは異なり、キャビティ８１の底壁は、燃料を上方向へ偏向する側が、略扇形状噴霧１０が衝突する側に比較して深くされている。それにより、図５に示すように、キャビティ８１の底壁上を進行する燃料を上方向に偏向するための立ち面を第一実施形態に比較して長くすることができる。こうして、燃料をキャビティ８１の外側へ向かわせることなく確実に上方向へ偏向することができ、キャビティ８１を臨む点火プラグ６近傍へより確実に可燃混合気を形成することが可能となる。
【００２７】
図７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図３に相当する縦断面図であり、図８は図７のピストン平面図である。本実施形態において、均質燃焼に関しては第一実施形態と同様であり、成層燃焼における第一実施形態との違いを以下に説明する。本実施形態では、ピストン５頂面に形成されたキャビティ８２の形状が第一実施形態とは異なり、キャビティ８２の底壁は、二つの連続する凹状湾曲断面形状とされ、略扇形状噴霧１０が衝突する底壁中央部は隆起部分とされている。それにより、図７に示すように、略扇形状噴霧１０は底壁中央部に衝突した後に底壁のそれぞれの凹状湾曲部分へ分流し、それぞれの凹状湾曲部分によってキャビティ８２の上方向に偏向される。
【００２８】
上方向に偏向された一方の燃料は、第一実施形態と同様に、点火プラグ６近傍に可燃混合気を形成し、また、他方の燃料は可燃混合気となり、気筒上部において、一方の燃料によって点火プラグ６近傍に形成された可燃混合気と一塊となる。こうして、点火プラグ６近傍に形成された一塊の可燃混合気を着火燃焼させて成層燃焼が実現される。本実施形態のように、噴射燃料を二分割して、それぞれをキャビティの二つの凹状湾曲断面上を進行させることにより、それぞれの燃料は少量となってキャビティ底壁からの受熱が良好となるために、特に、燃料噴射量が比較的多い時にも十分に燃料を気化させて良好な可燃混合気を形成することが可能となる。
【００２９】
図９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図３に相当する縦断面図であり、図１０は図９のピストン平面図である。本実施形態において、均質燃焼に関しては第一実施形態と同様である。本実施形態におけるピストン５３頂面のキャビティ８３は、第三実施形態のように、二つの連続する凹状湾曲断面形状とされている。それぞれの凹状湾曲断面は、第二実施形態のように、燃料を上方向へ偏向する側が、略扇形状噴霧１０が衝突する側に比較して深くされている。それにより、本実施形態は、成層燃焼において、第二実施形態と第三実施形態との効果を合わせて有し、燃料噴射量が比較的多い時でも、キャビティ８３内へ噴射された燃料を確実に上方へ偏向し、十分に気化させた燃料によって点火プラグ６近傍に一塊の良好な可燃混合気を形成することができる。
【００３０】
前述した実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関では、機関低負荷側及び機関低回転側において成層燃焼を実施するようにしたが、これは本発明を限定するものではなく、少なくとも二つの吸気弁を有し、吸気行程において比較的厚さの薄い略扇形状燃料噴霧を気筒内へ噴射して均質燃焼だけを実施する筒内噴射式火花点火内燃機関にも本発明は適用可能である。
【００３１】
三つ以上の吸気弁を有する場合には、隣接する二つの吸気弁に注目して考えれば良く、やはり、隣接する二つの吸気弁を介して気筒内へ供給された吸気は、互いに略平行な二つの縦旋回流を気筒内へ生成し、これら二つの縦旋回流の間の淀み領域内へ前述同様に略扇形状噴霧を噴射すれば良い。また、二つの吸気弁が、互いに隣接せずに、二つの排気弁に隣接するような筒内噴射式火花点火内燃機関も考えられる。この場合には、二つの吸気弁を介して気筒内へ供給される吸気によって気筒内には互いに反対方向の二つの縦旋回流が生成させることとなる。しかしながら、この二つの縦旋回流も互いに略平行であり、その間は前述同様な淀み領域となるために、この淀み領域内へ前述同様に略扇形状噴霧を噴射すれば良い。
【００３２】
【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は、少なくとも二つの吸気弁と、気筒上部中心近傍から比較的厚さの薄い略扇形状噴霧として気筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグとを具備し、ピストン頂面には略扇形状噴霧を気筒上部方向へ偏向するためのキャビティが形成され、点火プラグはキャビティを臨み気筒上部に配置され、成層燃焼に際して、燃料噴射弁は圧縮行程後半においてキャビティ内に燃料を噴射し、均質燃焼に際して、燃料噴射弁が、吸気行程においてピストンが圧縮行程後半のピストン位置より下降した時に、二つの吸気弁を介して気筒内へ供給される吸気により生成される互いに略平行な二つの縦旋回流の間における淀み領域内へ略扇形状噴霧の幅方向が淀み領域の中心縦平面と略平行となるように燃料を噴射するようになっている。それにより、略扇形状噴霧は、二つの縦旋回流と干渉することなく淀み領域内で幅方向に拡がり、吸気との摩擦によって良好に微粒化及び気化され、その後の圧縮行程において気筒内に分散することにより良好な均質混合気を形成することが可能となり、均質燃焼を良好なものとすることができる。
【００３３】
また、本発明によるもう一つの筒内噴射式火花点火内燃機関は、少なくとも二つの吸気弁と、気筒上部中心近傍から比較的厚さの薄い略扇形状噴霧として気筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグとを具備し、ピストン頂面には略扇形状噴霧を気筒上部方向へ偏向するためのキャビティが形成され、点火プラグはキャビティを臨み気筒上部に配置され、成層燃焼に際して、燃料噴射弁は圧縮行程後半においてキャビティ内に燃料を噴射し、均質燃焼に際して、燃料噴射弁は、吸気行程においてピストンが圧縮行程後半のピストン位置より下降した時に、略扇形状噴霧の厚さ方向中心平面が気筒上部中心と前記二つの吸気弁との間を通って気筒内を二分割する仮想平面と同一面となるように燃料を噴射するようになっている。それにより、略扇形状噴霧は、吸気弁を介して気筒内へ供給される吸気により生成される二つの縦旋回流と干渉することなく淀み領域内で幅方向に拡がり、吸気との摩擦によって良好に微粒化及び気化され、その後の圧縮行程において気筒内に分散することにより良好な均質混合気を形成することが可能となり、均質燃焼を良好なものとすることができる。
【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縦断面図である。
【図２】図１の気筒上部の平面図である。
【図３】図１に対して垂直な方向の概略縦断面図である。
【図４】図１のピストン平面図である。
【図５】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図３に相当する断面図である。
【図６】図５のピストン平面図である。
【図７】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第三実施形態を示す図３に相当する断面図である。
【図８】図７のピストン平面図である。
【図９】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第四実施形態を示す図３に相当する断面図である。
【図１０】図９のピストン平面図である。
【符号の説明】
３…吸気弁
４…排気弁
５，５１，５２，５３…ピストン
６…点火プラグ
７…燃料噴射弁
８，８１，８２，８３…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ことにより、点火時点において点火プラグ近傍だけに着火性の良好な混合気（以下、可燃混合気）を形成し、気筒内全体としては希薄な混合気の燃焼を可能にする成層燃焼が公知である。成層燃焼を実施する際には、一般的に、燃料噴射弁は、圧縮行程後半に燃料を噴射する。こうして噴射された燃料は、ピストン頂面に形成された凹状のキャビティ内へ進入し、キャビティ形状によって点火プラグ方向へ偏向され、点火プラグ近傍に可燃混合気を形成することが意図されている。
【０００３】
特開平９−１５８７３６号公報に開示されている筒内噴射式火花点火内燃機関では、点火プラグは気筒上部略中心に配置され、燃料噴射弁は燃料を厚さの薄い略扇形状に噴射するもので気筒上部周囲に配置されている。キャビティは、ピストン頂面略中央部から燃料噴射弁側のピストン頂面周囲部へ延在しており、底壁と、点火プラグ側側壁と、燃料噴射弁側側壁とを有している。斜め上方からキャビティ内に噴射された燃料は、キャビティの底壁に衝突した後に、底壁に沿って点火プラグ側側壁方向に進行し、その後、点火プラグ側側壁によって点火プラグ方向に偏向されるようになっている。噴射燃料は、キャビティの底壁及び点火プラグ側側壁から良好に受熱して気化し易い状態となっており、点火プラグ近傍に達した時点では十分に気化され、それにより、点火プラグ近傍に良好な可燃混合気を形成することができる。
【０００４】
ところで、一般的な筒内噴射式火花点火内燃機関では、このような成層燃焼だけでなく、例えば、高回転高負荷時において、吸気行程で燃料を噴射して気筒内に均質混合気を形成する均質燃焼も実施するようになっている。前述の筒内噴射式火花点火内燃機関において均質燃焼を実施すると、吸気行程で噴射される略扇形状噴霧は、斜め下方向に向けられ、すなわち、幅方向が気筒内の横方向と一致させられ、厚さ方向が気筒内の縦方向に対して斜めとされ、略扇形状噴霧は気筒内の横方向に拡がることとなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
吸気効率を高めるために、前述の筒内噴射式火花点火内燃機関では吸気二弁式とされており、燃料噴射弁は、気筒上部周囲における二つの吸気弁の間に設けられている。吸気行程で二つの吸気弁が開弁すると、各吸気ポートを介して気筒内へ供給される吸気は、一般的に、シリンダボアの排気弁側を下降してシリンダボアの吸気弁側を上昇するように気筒内を縦方向に旋回するタンブル流を生成し、気筒内には互いに平行な二つのタンブル流が生成されることとなる。
【０００６】
こうして、均質燃焼時に気筒上部周囲における二つの吸気弁の間から気筒内へ噴射された略扇形状噴霧は、僅かに幅方向に拡がった時点で二つのタンブル流と干渉することとなる。略扇形状噴霧は、自身慣性力によって幅方向に拡がりながら気筒内を飛行する間において燃料の微粒化及び気化が促進されるものであり、このように噴射から比較的早期にタンブル流と干渉することとなると、燃料噴霧の慣性力が早期に減衰して、燃料は十分に微粒化及び気化されないままタンブル流に乗って気筒内を移動するだけとなる。それにより、比較的大きな粒状の液体燃料を気筒内全体に分布させることはできても、これらを点火までに十分に気化させることはできない。
【０００７】
こうして、良好な均質混合気が形成されないために、均質燃焼を良好なものとすることはできない。この均質燃焼時における問題は、もちろん、同様な略扇形状噴霧によって均質燃焼だけを実施する筒内噴射式火花点火内燃機関においても発生する。
【０００８】
従って、本発明の目的は、吸気行程で略扇形状燃料噴霧を気筒内へ噴射して均質燃焼を実施する少なくとも二つの吸気弁を備える筒内噴射式火花点火内燃機関において、点火時点で気筒内に良好な均質混合気を形成可能とすることである。
【０００９】
【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、少なくとも二つの吸気弁と、気筒上部中心近傍から比較的厚さの薄い略扇形状噴霧として気筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグとを具備し、ピストン頂面には前記略扇形状噴霧を気筒上部方向へ偏向するためのキャビティが形成され、前記点火プラグは前記キャビティを臨み気筒上部に配置され、成層燃焼に際して、前記燃料噴射弁は圧縮行程後半において前記キャビティ内に燃料を噴射し、均質燃焼に際して、前記燃料噴射弁は、吸気行程においてピストンが圧縮行程後半のピストン位置より下降した時に、前記二つの吸気弁を介して気筒内へ供給される吸気により生成される互いに略平行な二つの縦旋回流の間における淀み領域内へ前記略扇形状噴霧の幅方向が前記淀み領域の中心縦平面と略平行となるように燃料を噴射することを特徴とする。
【００１１】
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、少なくとも二つの吸気弁と、気筒上部中心近傍から比較的厚さの薄い略扇形状噴霧として気筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグとを具備し、ピストン頂面には前記略扇形状噴霧を気筒上部方向へ偏向するためのキャビティが形成され、前記点火プラグは前記キャビティを臨み気筒上部に配置され、成層燃焼に際して、前記燃料噴射弁は圧縮行程後半において前記キャビティ内に燃料を噴射し、均質燃焼に際して、前記燃料噴射弁は、吸気行程においてピストンが圧縮行程後半のピストン位置より下降した時に、前記略扇形状噴霧の厚さ方向中心平面が気筒上部中心と前記二つの吸気弁との間を通って気筒内を二分割する仮想平面と同一面となるように燃料を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は図１における気筒上部の平面図である。ここで、気筒内における縦方向とはピストンの移動方向であり、気筒内における横方向とは縦方向に垂直な方向である。図１及び２において、１は二つの吸気ポート、２は二つの排気ポートである。各吸気ポート１は吸気弁３を介して、各排気ポート２は排気弁４を介して、それぞれ気筒内へ通じている。５はピストンであり、キャビティ８がピストン頂面に形成されている。６は気筒上部中心近傍に配置された点火プラグである。７は気筒上部中心近傍に点火プラグ６と隣接配置された燃料噴射弁である。
【００１３】
燃料噴射弁７は、スリット状の噴孔を有し、比較的厚さの薄い略扇形状噴霧１０として燃料を噴射するものである。尚、扇形状噴霧を形成する噴孔としては、スリット状に限定されることなく、円柱状の噴孔が直列的に配置されたもの等の他の形状の噴孔を使用可能である。略扇形状噴霧１０は、自身慣性力によって幅方向に拡がりながら気筒内を飛行する間において気筒内の吸気と十分に接触するために、吸気との摩擦によって燃料の微粒化及び気化が促進される。さらに、噴霧自身が有する強い慣性力で気筒内に強い流れを喚起するために、燃料と空気との混合促進作用と燃焼速度の向上作用とがもたらされる。
【００１４】
ところで、吸気行程において気筒上部に接続された吸気ポート１から気筒内へ供給される吸気は、シリンダボアの排気ポート側を下降してシリンダボアの吸気ポート側を上昇するタンブル流又はシリンダボアの吸気ポート側を下降してシリンダボアの排気ポート側を上昇する逆タンブル流等の縦旋回流を生成し易い。
【００１５】
それにより、均質燃焼を実施する際に略扇形状噴霧を気筒内へ単に噴射すると、略扇形状噴霧は、僅かに幅方向に拡がると気筒内に生成された縦旋回流と干渉することがあり、これでは、燃料噴霧は十分に微粒化及び気化されないまま縦旋回流に乗って気筒内を移動するだけとなり、液体燃料を点火までに十分に気化させることはできない。それにより、良好な均質混合気が気筒内に形成されず、良好な成層燃焼を実現することはできない。
【００１６】
二つの吸気弁を備えた筒内噴射式火花点火内燃機関では、各吸気ポートから気筒内へ供給された吸気が、それぞれ、気筒内に図１に矢印で示すような前述した縦旋回流を生成するが、二つの縦旋回流の間には吸気の淀み領域が形成される。図２において、気筒上部中心を通り二つの吸気弁の間に延在する中心縦平面Ａの両側近傍に位置する領域Ｓ１が、いずれの縦旋回流も存在しない淀み領域であり、この淀み領域Ｓ１に隣接する二つの領域Ｓ２及びＳ３が、それぞれ、縦旋回流が存在する旋回流領域となる。図１は、この中心縦平面Ａの位置での縦断面図である。尚、多くの吸気二弁式の筒内噴射式火花点火内燃機関では、中心縦平面Ａは、気筒内を二分割する仮想平面となる。
【００１７】
本実施形態では、図２に示すように、気筒上部中心近傍に配置された燃料噴射弁７は、略扇形状噴霧１０の幅方向が淀み領域の中心縦平面（前述の中心縦平面Ａと一致する）と略平行となるように、略扇形状噴霧１０を淀み領域Ｓ１内へ噴射するようになっている。それにより、均質燃焼時において吸気行程で噴射される略扇形状噴霧１０は気筒内を飛行中にいくら幅方向に拡がっても、気筒内の旋回流領域Ｓ２及びＳ３内へ拡がることはない。また、略扇形状噴霧１０は、気筒内を飛行中に厚さ方向にも僅かに拡がるが、比較的厚さが薄いために、気筒内の旋回流領域Ｓ２及びＳ３内まで拡がることはない。
【００１８】
こうして、吸気行程中において、略扇形状噴霧１０は、気筒内の縦旋回流と干渉することがないために、自身慣性力によって十分に微粒化及び気化される。圧縮行程となれば、二つの縦旋回流はピストン５の上昇に伴って潰されて気筒内全体の乱れとなり、この乱れが十分に微粒化及び気化された燃料を気筒内全体に分散させるために、点火時点においては、十分に均質化された均質混合気を気筒内に形成することができ、良好な均質燃焼が実現可能となる。
【００１９】
このような均質燃焼を実施するに際しては、燃料噴射弁７の位置は、気筒上部中心近傍としなくても、気筒上部の前述した中心縦平面近傍であれば良い。本実施形態のように、燃料噴射弁７の位置が気筒上部中心近傍である場合には、噴射される略扇形状噴霧の幅方向は気筒内の横方向に略一致するが、燃料噴射弁の位置がそれ以外の中心縦平面近傍である場合には、噴射される略扇形状噴霧の幅方向は、気筒内の横方向に対して傾くこととなる。
【００２０】
本実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関は、必要燃料量が多い高回転又は高負荷側では均質燃焼を実施し、必要燃料量が比較的少ない低回転又は低負荷側では成層燃焼を実施するようになっており、それにより、燃料噴射弁７の位置を気筒上部中心近傍としている。
【００２１】
成層燃焼は、噴射燃料によって点火プラグ６近傍だけに可燃混合気を形成し、気筒内全体としては希薄な混合気を燃焼可能とするものであり、均質燃焼に比較して必要な燃料噴射量が少ないことに加えて、気筒内へ供給される吸気量を絞る必要がなくポンピング損失を低減することができるために、燃費効率の高い燃焼方式である。
【００２２】
本実施形態において、成層燃焼を実施するためには、燃料噴射弁７は圧縮行程で燃料を噴射する。図３は、図１に対して垂直な方向における縦断面であり、成層燃焼時の圧縮行程後半を示している。ピストン５頂面に形成されたキャビティ８は、図４に示すように、略扇形状噴霧１０の幅方向に延在する細長い溝形状であり、その底壁は図３に示すようにキャビティ８の幅方向において凹状に湾曲している。
【００２３】
燃料噴射弁７から圧縮行程に噴射された燃料は、図３に示すように、キャビティ８の幅方向において、底壁中央部から偏倚して底壁に衝突し、その後、底壁中央部を介して底壁の幅方向の反対側から上方向へ偏向される。斜線で示す底壁への衝突直後の燃料は液体であるが、この時点で気筒内を飛行中における吸気との摩擦によって微粒化され気化し易い状態である。その後、キャビティ８の底壁上を進行中に受熱してさらに気化し易くされて、キャビティ８を臨むように気筒上部中心近傍に配置された点火プラグ６近傍へ達し、ドットで示す可燃混合気となる。こうして点火時点において点火プラグ６近傍に良好な可燃混合気を形成することができ、良好な成層燃焼も実現可能である。
【００２４】
ところで、一般的な筒内噴射式火花点火内燃機関では、燃料噴射弁が気筒上部周囲に配置されており、成層燃焼を実施するのに燃料噴霧を斜め下方向に噴射する。それにより、ピストン頂面のキャビティ内へ燃料を噴射可能な期間は比較的短く、すなわち、成層燃焼時に噴射可能な燃料量は比較的少なく、成層燃焼の運転領域を狭めることとなっていた。
【００２５】
本実施形態においては、略扇形状噴霧は、幅方向及び厚さ方向を気筒内の横方向に一致させて噴射されるために、すなわち、略扇形状噴霧は縦方向に噴射されるために、成層燃焼に際して圧縮初期又は吸気行程末期から燃料噴射を開始しても、燃料は、キャビティ内へ噴射されるために、キャビティを利用して点火プラグ６近傍へ偏向させられる。これは、成層燃焼時に噴射可能な燃料量を増大して燃費効率の高い成層燃焼の運転領域を高回転又は高負荷側へ拡大することを可能とし、成層燃焼の運転機会が増大するために燃料消費率を改善することができる。
【００２６】
図５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図３に相当する縦断面図であり、図６は図５のピストン平面図である。本実施形態において、均質燃焼に関しては第一実施形態と同様であり、成層燃焼における第一実施形態との違いを以下に説明する。本実施形態では、ピストン５頂面に形成されたキャビティ８１の形状が第一実施形態とは異なり、キャビティ８１の底壁は、燃料を上方向へ偏向する側が、略扇形状噴霧１０が衝突する側に比較して深くされている。それにより、図５に示すように、キャビティ８１の底壁上を進行する燃料を上方向に偏向するための立ち面を第一実施形態に比較して長くすることができる。こうして、燃料をキャビティ８１の外側へ向かわせることなく確実に上方向へ偏向することができ、キャビティ８１を臨む点火プラグ６近傍へより確実に可燃混合気を形成することが可能となる。
【００２７】
図７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図３に相当する縦断面図であり、図８は図７のピストン平面図である。本実施形態において、均質燃焼に関しては第一実施形態と同様であり、成層燃焼における第一実施形態との違いを以下に説明する。本実施形態では、ピストン５頂面に形成されたキャビティ８２の形状が第一実施形態とは異なり、キャビティ８２の底壁は、二つの連続する凹状湾曲断面形状とされ、略扇形状噴霧１０が衝突する底壁中央部は隆起部分とされている。それにより、図７に示すように、略扇形状噴霧１０は底壁中央部に衝突した後に底壁のそれぞれの凹状湾曲部分へ分流し、それぞれの凹状湾曲部分によってキャビティ８２の上方向に偏向される。
【００２８】
上方向に偏向された一方の燃料は、第一実施形態と同様に、点火プラグ６近傍に可燃混合気を形成し、また、他方の燃料は可燃混合気となり、気筒上部において、一方の燃料によって点火プラグ６近傍に形成された可燃混合気と一塊となる。こうして、点火プラグ６近傍に形成された一塊の可燃混合気を着火燃焼させて成層燃焼が実現される。本実施形態のように、噴射燃料を二分割して、それぞれをキャビティの二つの凹状湾曲断面上を進行させることにより、それぞれの燃料は少量となってキャビティ底壁からの受熱が良好となるために、特に、燃料噴射量が比較的多い時にも十分に燃料を気化させて良好な可燃混合気を形成することが可能となる。
【００２９】
図９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図３に相当する縦断面図であり、図１０は図９のピストン平面図である。本実施形態において、均質燃焼に関しては第一実施形態と同様である。本実施形態におけるピストン５３頂面のキャビティ８３は、第三実施形態のように、二つの連続する凹状湾曲断面形状とされている。それぞれの凹状湾曲断面は、第二実施形態のように、燃料を上方向へ偏向する側が、略扇形状噴霧１０が衝突する側に比較して深くされている。それにより、本実施形態は、成層燃焼において、第二実施形態と第三実施形態との効果を合わせて有し、燃料噴射量が比較的多い時でも、キャビティ８３内へ噴射された燃料を確実に上方へ偏向し、十分に気化させた燃料によって点火プラグ６近傍に一塊の良好な可燃混合気を形成することができる。
【００３０】
前述した実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関では、機関低負荷側及び機関低回転側において成層燃焼を実施するようにしたが、これは本発明を限定するものではなく、少なくとも二つの吸気弁を有し、吸気行程において比較的厚さの薄い略扇形状燃料噴霧を気筒内へ噴射して均質燃焼だけを実施する筒内噴射式火花点火内燃機関にも本発明は適用可能である。
【００３１】
三つ以上の吸気弁を有する場合には、隣接する二つの吸気弁に注目して考えれば良く、やはり、隣接する二つの吸気弁を介して気筒内へ供給された吸気は、互いに略平行な二つの縦旋回流を気筒内へ生成し、これら二つの縦旋回流の間の淀み領域内へ前述同様に略扇形状噴霧を噴射すれば良い。また、二つの吸気弁が、互いに隣接せずに、二つの排気弁に隣接するような筒内噴射式火花点火内燃機関も考えられる。この場合には、二つの吸気弁を介して気筒内へ供給される吸気によって気筒内には互いに反対方向の二つの縦旋回流が生成させることとなる。しかしながら、この二つの縦旋回流も互いに略平行であり、その間は前述同様な淀み領域となるために、この淀み領域内へ前述同様に略扇形状噴霧を噴射すれば良い。
【００３２】
【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は、少なくとも二つの吸気弁と、気筒上部中心近傍から比較的厚さの薄い略扇形状噴霧として気筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグとを具備し、ピストン頂面には略扇形状噴霧を気筒上部方向へ偏向するためのキャビティが形成され、点火プラグはキャビティを臨み気筒上部に配置され、成層燃焼に際して、燃料噴射弁は圧縮行程後半においてキャビティ内に燃料を噴射し、均質燃焼に際して、燃料噴射弁が、吸気行程においてピストンが圧縮行程後半のピストン位置より下降した時に、二つの吸気弁を介して気筒内へ供給される吸気により生成される互いに略平行な二つの縦旋回流の間における淀み領域内へ略扇形状噴霧の幅方向が淀み領域の中心縦平面と略平行となるように燃料を噴射するようになっている。それにより、略扇形状噴霧は、二つの縦旋回流と干渉することなく淀み領域内で幅方向に拡がり、吸気との摩擦によって良好に微粒化及び気化され、その後の圧縮行程において気筒内に分散することにより良好な均質混合気を形成することが可能となり、均質燃焼を良好なものとすることができる。
【００３３】
また、本発明によるもう一つの筒内噴射式火花点火内燃機関は、少なくとも二つの吸気弁と、気筒上部中心近傍から比較的厚さの薄い略扇形状噴霧として気筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグとを具備し、ピストン頂面には略扇形状噴霧を気筒上部方向へ偏向するためのキャビティが形成され、点火プラグはキャビティを臨み気筒上部に配置され、成層燃焼に際して、燃料噴射弁は圧縮行程後半においてキャビティ内に燃料を噴射し、均質燃焼に際して、燃料噴射弁は、吸気行程においてピストンが圧縮行程後半のピストン位置より下降した時に、略扇形状噴霧の厚さ方向中心平面が気筒上部中心と前記二つの吸気弁との間を通って気筒内を二分割する仮想平面と同一面となるように燃料を噴射するようになっている。それにより、略扇形状噴霧は、吸気弁を介して気筒内へ供給される吸気により生成される二つの縦旋回流と干渉することなく淀み領域内で幅方向に拡がり、吸気との摩擦によって良好に微粒化及び気化され、その後の圧縮行程において気筒内に分散することにより良好な均質混合気を形成することが可能となり、均質燃焼を良好なものとすることができる。
【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縦断面図である。
【図２】図１の気筒上部の平面図である。
【図３】図１に対して垂直な方向の概略縦断面図である。
【図４】図１のピストン平面図である。
【図５】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図３に相当する断面図である。
【図６】図５のピストン平面図である。
【図７】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第三実施形態を示す図３に相当する断面図である。
【図８】図７のピストン平面図である。
【図９】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第四実施形態を示す図３に相当する断面図である。
【図１０】図９のピストン平面図である。
【符号の説明】
３…吸気弁
４…排気弁
５，５１，５２，５３…ピストン
６…点火プラグ
７…燃料噴射弁
８，８１，８２，８３…キャビティ
Claims (2)
- 少なくとも二つの吸気弁と、気筒上部中心近傍から比較的厚さの薄い略扇形状噴霧として気筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグとを具備し、ピストン頂面には前記略扇形状噴霧を気筒上部方向へ偏向するためのキャビティが形成され、前記点火プラグは前記キャビティを臨み気筒上部に配置され、成層燃焼に際して、前記燃料噴射弁は圧縮行程後半において前記キャビティ内に燃料を噴射し、均質燃焼に際して、前記燃料噴射弁は、吸気行程においてピストンが圧縮行程後半のピストン位置より下降した時に、前記二つの吸気弁を介して気筒内へ供給される吸気により生成される互いに略平行な二つの縦旋回流の間における淀み領域内へ前記略扇形状噴霧の幅方向が前記淀み領域の中心縦平面と略平行となるように燃料を噴射することを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
- 少なくとも二つの吸気弁と、気筒上部中心近傍から比較的厚さの薄い略扇形状噴霧として気筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグとを具備し、ピストン頂面には前記略扇形状噴霧を気筒上部方向へ偏向するためのキャビティが形成され、前記点火プラグは前記キャビティを臨み気筒上部に配置され、成層燃焼に際して、前記燃料噴射弁は圧縮行程後半において前記キャビティ内に燃料を噴射し、均質燃焼に際して、前記燃料噴射弁は、吸気行程においてピストンが圧縮行程後半のピストン位置より下降した時に、前記略扇形状噴霧の厚さ方向中心平面が気筒上部中心と前記二つの吸気弁との間を通って気筒内を二分割する仮想平面と同一面となるように燃料を噴射することを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
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