JP3899575B2 - In-cylinder direct injection internal combustion engine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内直噴式内燃機関(筒内直噴エンジン)に関し、さらに詳しくは、燃料噴射弁からピストンの頂面に形成された凹部に向けて燃料を噴射することで、点火プラグの周辺の限られた領域にのみ可燃混合気を形成して、成層希薄燃焼を実現するようにした筒内直噴式内燃機関に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の筒内直噴式内燃機関としては、例えば、図3に示すようなものが知られている。同図において、21はシリンダブロックであり、シリンダブロック21内にはピストンリングが装着されたピストン22が摺動自在に嵌挿されている。シリンダブロック21の上部にはシリンダヘッド23が取り付けられており、シリンダブロック21の内壁、ピストン22の頂面、およびシリンダヘッド23の下面により、燃焼室が画成される(特開平6−81651号公報参照)。
【0003】
シリンダヘッド23には、その概略中央部に点火プラグ(点火栓)24が取り付けられ、点火プラグ24の外側の位置には、吸気弁25aにより燃焼室に選択的に連通される吸気流路25及び図示は省略しているが排気弁により燃焼室に選択的に連通される排気流路が配置されている。シリンダヘッド23の吸気流路25が配置された位置のさらに外側には、燃焼室内に燃料を直接的に噴射する燃料噴射弁26が取り付けられている。
【0004】
シリンダブロック21の下部には、図示は省略しているが、クランクケースが配置され、クランクケース内にはピストン22にコネクティングロッドを介して連結されたクランクシャフトが収容されている。ピストン22の頂面の一部には凹部22aが形成されている。この凹部22aの表面形状は、球面又は円筒面を呈するように形成されている。
【0005】
このような構成を採用することにより、吸気行程の最終段階における逆タンブル作用によって、吸気流路25からの吸気がシリンダブロック21の内壁近傍から凹部22aの表面に沿って流れて点火プラグ24の近傍に至るように略U字状に流動するとともに、圧縮行程で燃料噴射弁26から噴射された噴霧27がピストン22の頂面の凹部22aに衝突して方向転換し、これらの相乗作用によって、燃料噴霧(可燃混合気)が順次、点火プラグ24の近傍に誘導され、成層希薄燃焼が実現される。
【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噴射式内燃機関にあっては、ピストンの頂面の一部に形成された凹部の表面形状が単なる球面あるいは円筒面となっているため、燃料噴霧がピストンの凹部の表面に衝突する際の噴霧の各部位における進行方向と衝突点における凹部の表面の接線方向とのなす角度が噴霧の部位によって異なり、噴霧がピストンに衝突した後の挙動が噴霧の部位によって異なってしまう。
【0007】
すなわち、図4に示す例で説明すると、ピストン22の頂面の凹部22aの表面形状を球面又は円筒面とした場合、噴霧27がA点において凹部22aの表面に衝突する角度αと、噴霧27がB点において凹部22aの表面に衝突する角度βとは異なる。
【0008】
ここで、燃料噴射弁26から噴射された噴霧27がピストン22に衝突した後には、噴霧27が保持している運動量のうち衝突位置における凹部22aの表面の接線方向に平行な方向の成分のみが保存され、衝突後噴霧は凹部22aの表面に沿う運動をすることになるが、この際、噴霧27の各部位における凹部22aとの衝突角度が噴霧27の部位によって異なると(例えば、A点では角度α、B点では角度β)、噴霧27の部位によって衝突後の速度が異なることになる。これは点火プラグへ混合気を順次輸送するという筒内直噴式内燃機関における混合気の成層化の必要条件に鑑みて不都合な現象である。
【0009】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、点火プラグへ混合気を順次輸送するという筒内直噴式内燃機関における混合気の成層化の必要条件を満足させることにより、安定した成層希薄燃焼を実現し、燃焼効率を向上することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1記載の本発明の筒内直噴式内燃機関は、シリンダ内に嵌挿されたピストンの頂面と点火プラグが取り付けられたシリンダヘッドとの間に画成される燃焼室内に燃料噴射弁により燃料を直接噴射するようにした筒内直噴式内燃機関において、前記ピストンの頂面の一部に前記燃料噴射弁の噴射点を中心とした等角螺旋面(対数螺旋面)を呈する表面形状を有する凹部を形成し、前記燃料噴射弁により該凹部に向けて燃料を噴射するようにしたことを特徴とする。
【0011】
この請求項1記載の本発明の筒内直噴式内燃機関によると、ピストンの頂面の凹部の表面形状を、燃料噴射弁の噴射点を中心とした等角螺旋面形状としたので、燃料噴射弁から噴射された噴霧のピストンに対する衝突角度は噴霧の部位によらず、従来よりも均一化することが可能となり、ピストンに衝突した後の噴霧の速度を噴霧の部位によらず、従来よりも均一化することが可能となる。
【0012】
請求項2記載の本発明の筒内直噴式内燃機関は、請求項1記載の筒内直噴式内燃機関において、前記凹部の等角螺旋面は、前記ピストンの位置がクランク角度で上死点前60度から40度の範囲の、ある特定のクランク角度のみにおいて、前記燃料噴射弁の噴射点を中心として等角となるように前記ピストンの凹部に形成されていることを特徴とする。
【0013】
この種の筒内直噴式内燃機関では、ピストンの位置がクランク角度で上死点前60度から40度の範囲にあるときに、燃料の噴射を行うのが良好な機関性能を得るために適切であるという実験的事実が存在し、通常はかかる範囲内で燃料の噴射が行われる。
【0014】
一方、幾何学的に考えた場合、凹部の表面形状としての等角螺旋面は、燃料噴射弁により燃料が噴射される時点で、すなわち噴霧が凹部の表面に衝突する時点で、該燃料噴射弁の噴射点を中心としているのが衝突後の噴霧の速度を噴霧の部位によらず均一化するために最も望ましい。
【0015】
従って、凹部の表面形状を、ピストンの位置がクランク角度で上死点前60度から40度の範囲にあるときに、燃料噴射弁の噴射点を中心とした等角螺旋面とすることにより、ピストンに衝突した後の噴霧の速度を噴霧の部位によらずさらに均一化することができる。
【0016】
【発明の効果】
請求項1記載の本発明の筒内直噴式内燃機関によれば、燃料噴射弁から噴射された噴霧がピストンに衝突した後の速度を従来よりも均一化することが可能であるから、点火プラグへ混合気を順次輸送するという筒内直噴式内燃機関における混合気の成層化の必要条件を満足させることが可能である。
【0017】
また、請求項2記載の本発明の筒内直噴式内燃機関によれば、燃料噴射弁から噴射された噴霧がピストンに衝突した後の速度をほぼ一定にすることができるから、点火プラグへ混合気を順次輸送するという筒内直噴式内燃機関における混合気の成層化の必要条件を満足させることができる。
従って、安定した成層希薄燃焼が実現され、燃焼効率を向上することができるという効果がある。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の筒内直噴式内燃機関の実施形態の概略構成を示す透視図である。
【0019】
同図において、11はシリンダブロックであり、シリンダブロック11内にはピストンリングが装着されたピストン12が摺動自在に嵌挿されている。シリンダブロック11の上部にはシリンダヘッド13が取り付けられており、シリンダブロック11の内壁、ピストン12の頂面、及びシリンダヘッド13の下面により、燃焼室が画成される。
【0020】
シリンダヘッド13には、その概略中央部に点火プラグ(点火栓)14が取り付けられ、点火プラグ14の外側の位置には、吸気弁15aにより燃焼室に選択的に連通される吸気流路15及び図示は省略しているが排気弁により燃焼室に選択的に連通される排気流路が配置されている。シリンダヘッド13の吸気流路15が配置された位置のさらに外側には、燃焼室内に燃料を直接的に噴射する燃料噴射弁16が取り付けられている。
【0021】
シリンダブロック11の下部には、図示は省略しているが、クランクケースが配置され、クランクケース内にはピストン12にコネクティングロッドを介して連結されたクランクシャフトが収容されている。
【0022】
ピストン12の頂面の一部には凹部12aが形成されている。この凹部12aの表面形状は、ピストン12の位置がクランク角度で上死点前60度から40度の範囲内の所定の角度にあるときに、燃料噴射弁16の噴射点(燃料噴射口)を中心とした等角螺旋面(対数螺旋面)となるように形成されている。燃料噴射弁16は、燃料を凹部12aに向けて噴射するようにシリンダヘッド13に取り付けられている。
【0023】
例えば、4サイクルの内燃機関の場合、ピストン12が上死点よりわずかに前にあるときに、吸気弁15aが開かれ、ピストン12が下死点に至るまで吸気行程が行われる。このとき、吸気流路15からの吸気は逆タンブル作用によって、シリンダブロック11の内壁近傍から凹部12aの表面に沿って流れ点火プラグ14の近傍に至るように略U字状に流動する。
【0024】
次の圧縮行程においては、ピストン12の位置がクランク角度で上死点前60度から40度の範囲内の前記所定の角度にあるときに、燃料噴射弁16から燃料が噴射される。燃料噴射弁16から噴射された噴霧17は、ピストン12の頂面の凹部12aに衝突し、凹部12aの表面形状としての等角螺旋面に沿って移動し、点火プラグ14の近傍に誘導され、点火プラグ14の周辺の限られた領域にのみ可燃混合気が形成される。
【0025】
所定の点火時期になると、点火プラグ14が発火され、燃焼行程が行われ、次に排気弁が開かれて、排気行程が行われる。
本実施形態によると、燃料噴射弁16による燃料の噴射時点において、ピストン12の頂面の凹部12aの表面形状が燃料噴射弁16の噴射点を中心とした等角螺旋面となっているので、燃料噴射弁16により噴射された噴霧17の各部位における進行方向と、ピストン12の凹部12aの表面との衝突角度は、噴霧17の各部位にかかわらずほぼ等しくなる。
【0026】
例えば、図2に示されているように、噴霧17の同図中A点における進行方向とピストン12の凹部12aの表面のA点における接線方向とのなす角度αと、噴霧17の同図中B点における進行方向とピストン12の凹部12aの表面のB点における接線方向とのなす角度βとは概略等しくなっている。
【0027】
ここで、燃料噴射弁16から噴射された噴霧17がピストン12に衝突した後には、噴霧17が保持している運動量のうち衝突位置における凹部12aの表面の接線方向に平行な方向の成分のみが保存され、噴霧17は凹部12aの表面に沿う運動をすることになるが、この際、噴霧17の凹部12aとの衝突角度(A点では角度α、B点では角度β)がほぼ等しいから、噴霧17の衝突位置における部位にかかわらず衝突後の速度がほぼ等しくなる。
【0028】
従って、噴霧17は点火プラグ14へほぼ等しい速度で順次誘導されることになり、点火プラグ14へ混合気を順次輸送するという筒内直噴式内燃機関における混合気の成層化の必要条件を満たすことができる。その結果、安定した成層希薄燃焼が実現され、燃焼効率を向上することができる。
【0029】
なお、ピストン12の凹部12aの表面形状としての等角螺旋面は、燃料噴射弁16の噴射点とピストン12の位置関係により決まるが、良好な機関性能を実現するためには、燃料噴射弁16による燃料の噴射を、ピストン12がクランク角度で上死点前60度から40度の範囲内にあるときに行うのが適切であるという実験的事実を考慮して、上述した実施形態のように、ピストン12の位置がクランク角度で上死点前60度から40度の範囲内より選択することが適当である。
【0030】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。従って、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の筒内直噴式内燃機関の実施形態の要部構成を示す透視図である。
【図2】本発明の筒内直噴式内燃機関の実施形態の燃料噴霧とピストンとの衝突の様子を示す摸式図である。
【図3】従来技術の筒内直噴式内燃機関を示す透視図である。
【図4】従来技術の筒内直噴式内燃機関の燃料噴霧とピストンとの衝突の様子を示す摸式図である。
【符号の説明】
11 …シリンダブロック
12 …ピストン
12a…凹部
13 …シリンダヘッド
14 …点火プラグ
15 …吸気流路
16 …燃料噴射弁
17 …燃料噴霧[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an in-cylinder direct injection internal combustion engine (in-cylinder direct injection engine), and more specifically, by injecting fuel from a fuel injection valve toward a recess formed on the top surface of a piston, The present invention relates to an in-cylinder direct injection internal combustion engine in which a combustible air-fuel mixture is formed only in a limited region to realize stratified lean combustion.
[0002]
[Prior art]
As a conventional in-cylinder direct injection internal combustion engine, for example, one shown in FIG. 3 is known. In the figure,
[0003]
An ignition plug (ignition plug) 24 is attached to the
[0004]
Although not shown, a crankcase is disposed below the
[0005]
By adopting such a configuration, the intake air from the
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a conventional in-cylinder internal combustion engine, the surface shape of the recess formed in a part of the top surface of the piston is a simple spherical surface or a cylindrical surface. The angle between the traveling direction of each part of the spray when it collides with the surface of the recess and the tangential direction of the surface of the recess at the point of impact differs depending on the part of the spray, and the behavior after the spray collides with the piston depends on the part of the spray. It will be different.
[0007]
That is, in the example shown in FIG. 4, when the surface shape of the
[0008]
Here, after the
[0009]
The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and satisfies the requirement for stratification of an air-fuel mixture in an in-cylinder direct injection internal combustion engine that sequentially transports the air-fuel mixture to a spark plug. Therefore, it is intended to realize stable stratified lean combustion and improve combustion efficiency.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a direct injection type internal combustion engine according to the present invention is defined between a top surface of a piston fitted in a cylinder and a cylinder head to which a spark plug is attached. In a cylinder direct injection internal combustion engine in which fuel is directly injected into a combustion chamber by a fuel injection valve, an equiangular spiral surface centering on an injection point of the fuel injection valve is formed on a part of the top surface of the piston ( A concave portion having a surface shape exhibiting a logarithmic spiral surface is formed, and fuel is injected toward the concave portion by the fuel injection valve.
[0011]
According to the in-cylinder direct injection internal combustion engine of the first aspect of the present invention, the surface shape of the concave portion on the top surface of the piston is an equiangular spiral surface shape centered on the injection point of the fuel injection valve. The collision angle of the spray injected from the valve with respect to the piston can be made more uniform than before without depending on the portion of the spray, and the speed of the spray after colliding with the piston can be made higher than before without depending on the portion of the spray. It becomes possible to make uniform.
[0012]
According to a second aspect of the present invention, there is provided the direct injection type internal combustion engine according to the first aspect, wherein the equiangular spiral surface of the concave portion is located at a crank angle before the top dead center. It is characterized in that it is formed in the concave portion of the piston so as to be equiangular with the injection point of the fuel injection valve as the center only at a specific crank angle in the range of 60 degrees to 40 degrees.
[0013]
In this type of in-cylinder direct injection internal combustion engine, when the piston position is in the range of 60 degrees to 40 degrees before top dead center at the crank angle, it is appropriate to perform fuel injection in order to obtain good engine performance There is an experimental fact that the fuel injection is normally performed within such a range.
[0014]
On the other hand, when considered geometrically, the equiangular spiral surface as the surface shape of the recess is formed when the fuel is injected by the fuel injection valve, that is, when the spray collides with the surface of the recess. It is most desirable to make the spraying speed after the collision uniform regardless of the spraying part.
[0015]
Therefore, by making the surface shape of the recess into an equiangular spiral surface centered on the injection point of the fuel injection valve when the piston position is in the range of 60 degrees to 40 degrees before top dead center at the crank angle, The spraying speed after colliding with the piston can be made more uniform regardless of the spraying part.
[0016]
【The invention's effect】
According to the in-cylinder direct injection internal combustion engine of the first aspect of the present invention, the speed after the spray injected from the fuel injection valve collides with the piston can be made more uniform than before. It is possible to satisfy the requirement for stratification of the air-fuel mixture in the direct injection type internal combustion engine in which the air-fuel mixture is transported sequentially.
[0017]
Further, according to the in-cylinder direct injection internal combustion engine of the second aspect of the present invention, the speed after the spray injected from the fuel injection valve collides with the piston can be made substantially constant. It is possible to satisfy the requirement for stratification of the air-fuel mixture in the direct injection type internal combustion engine that sequentially transports the air.
Therefore, stable stratified lean combustion is realized, and the combustion efficiency can be improved.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of an embodiment of an in-cylinder direct injection internal combustion engine of the present invention.
[0019]
In the figure,
[0020]
An ignition plug (ignition plug) 14 is attached to the
[0021]
Although not shown, a crankcase is disposed below the
[0022]
A
[0023]
For example, in the case of a four-cycle internal combustion engine, when the
[0024]
In the next compression stroke, the fuel is injected from the
[0025]
When the predetermined ignition timing is reached, the
According to the present embodiment, at the time of fuel injection by the
[0026]
For example, as shown in FIG. 2, the angle α formed by the traveling direction of the
[0027]
Here, after the
[0028]
Accordingly, the
[0029]
The equiangular spiral surface as the surface shape of the
[0030]
The embodiment described above is described for facilitating the understanding of the present invention, and is not described for limiting the present invention. Therefore, each element disclosed in the above embodiment includes all design changes and equivalents belonging to the technical scope of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a main part of an embodiment of an in-cylinder direct injection internal combustion engine of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a state of collision between a fuel spray and a piston in an embodiment of the direct injection type internal combustion engine of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view showing a conventional direct injection internal combustion engine.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a state of collision between fuel spray and a piston in a conventional direct injection type internal combustion engine.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記ピストンの頂面の一部に前記燃料噴射弁の噴射点を中心とした等角螺旋面を呈する表面形状を有する凹部を形成し、
前記燃料噴射弁により該凹部に向けて燃料を噴射するようにしたことを特徴とする筒内直噴式内燃機関。In a direct injection type internal combustion engine in which fuel is directly injected by a fuel injection valve into a combustion chamber defined between a top surface of a piston fitted in a cylinder and a cylinder head to which a spark plug is attached ,
Forming a recess having a surface shape exhibiting an equiangular spiral surface centered on the injection point of the fuel injection valve on a part of the top surface of the piston;
An in-cylinder direct injection internal combustion engine characterized in that fuel is injected toward the recess by the fuel injection valve.
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- 1997-01-09 JP JP01331197A patent/JP3899575B2/en not_active Expired - Lifetime
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