JP3997781B2 - 筒内直噴エンジン - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内直接噴射式でかつ火花点火式の筒内直噴エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術としては、特開２０００−２２７０２８号公報に示されるものがある。これは、ピストンの冠面に形成されたキャビティに向けて、燃焼室周縁部に配置した燃料噴射弁から比較的厚さの薄い略扇形状に燃料を噴射し、この燃料噴射で形成した混合気に対し点火プラグで火花点火するものである。
【０００３】
ここで、キャビティは、底壁と、対向側壁とを有しており、対向側壁は、平面視において、燃料噴射弁の噴孔位置と点火プラグ近傍位置とを焦点とする楕円形状の一部から成る部分を有している。このキャビティ形状により、略扇形状に噴射された燃料は広がりながら前記底壁に沿って進行した後、前記対向側壁に沿って進行するうちに点火プラグ近傍位置に集中し、点火プラグ近傍に混合気場を形成する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、比較的厚さの薄い扇形状に燃料を噴射する燃料噴射弁としては、ノズル部分にスリット状の噴孔を形成した噴射弁が公知であり、このスリット噴射弁からの噴霧は、一般的に噴霧の貫徹力（ペネトレーション）が強いので、筒内ガス流動の助けを借りず噴霧の運動のみで混合気場を形成することができる。
【０００５】
しかしながら、このようなスリット噴射弁からの噴霧は比較的筒内ガス流動の影響を受け易いことが分かった。ペネトレーションが強い噴霧であるにも関わらず筒内ガス流動の影響を受け易いのは、噴霧周辺の空間が噴霧によって上下に分断されるため、分断された空間の圧力差（筒内ガス流動によって様々に変化する）が噴霧に大きく作用するためであると考えられる。
【０００６】
筒内ガス流動はサイクル毎に異なっているのが普通なので、噴霧とキャビティとの関係がサイクル毎に変化し、形成される混合気場の位置や大きさが安定しない可能性がある。
本発明は、このような課題に基づいてなされたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明では、エンジンのシリンダ中心軸近傍に先端が位置するよう配設され燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグとを備え、ピストン上に形成したキャビティへ向けて前記燃料噴射弁から燃料を噴射し、この燃料噴射で形成した混合気に対し前記点火プラグで火花点火する筒内直噴エンジンにおいて、
前記キャビティは、ピストンの中心に位置し中心部から周縁部に向かってやや下向きに傾斜する底面と、この底面の周縁部に連なり曲率を持つ曲面と、この曲面に連なり燃料噴射弁の先端近傍を指向する平面とを備え、
前記燃料噴射弁からの噴霧が前記底面に衝突する燃料噴射時期では、前記燃料噴射弁からの噴霧が前記底面に斜めに衝突し、衝突後の噴霧は前記曲面と前記平面とによって前記燃料噴射弁の側へ誘導され、
これより早期の燃料噴射時期では、前記燃料噴射弁からの噴霧が前記平面に斜めに衝突し、衝突後の噴霧は前記曲面と前記底面とによって前記燃料噴射弁の側へ誘導され、
前記曲面は、エンジンのシリンダ中心軸方向からの平面視において前記燃料噴射弁の先端と前記点火プラグの放電ギャップとを焦点とする楕円形状を有し、
前記燃料噴射弁は、それぞれが略棒状の噴霧を形成する複数の噴孔を備え、前記複数の噴孔は、これらの噴孔から噴射された複数の噴霧が全体として中空円錐形状をなすよう配置されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記噴孔は、所定の直径を有する円断面形状を有しており、個々の噴孔がそれぞれ頂角の小さい中実円錐形状の噴霧を形成することを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明では、請求項１又は２の発明において、燃料噴射圧力が２０ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【００１０】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、個々の噴霧について棒状噴霧を用いることで、強いペネトレーションを得、指向性を高め、筒内ガス流動の影響を受けがたくすることができる。このため、キャビティと噴霧との関係を安定させることができ、圧縮行程後半の高背圧下においても指向性の強い安定した噴霧形状を形成できる。
【００１１】
また、噴霧をキャビティの底面に斜めに衝突させるため燃料壁流を少なくすることができ、また、噴霧が湾曲した曲面により誘導され、噴霧の噴射方向速度が旋回流速に変えられて、キャビティ内で循環領域を形成する。これにより、燃料が空気と混合しやすく濃度むらもできにくいため、キャビティ内に均質な混合気場を形成できる。
また、湾曲したキャビティ壁の端部である平面が、燃料噴射弁の先端近傍を指向することにより、噴霧の噴射方向速度が旋回流速に変わりやすくなり、より均質性の高い成層混合気を実現できる。
また、噴射時期が比較的早期に設定される場合、噴霧を平面に斜めに衝突させ、曲面と底面とによって誘導して、キャビティ上空に均質な混合気を形成することができる。従って、噴射時期によらず均質な混合気を形成することができ、これにより回転や負荷によらず安定した成層燃焼を実現できる。
【００１２】
また、燃料噴射弁の先端と点火プラグの放電ギャップとを焦点とする楕円形状の第２壁面を用いることにより、複数の噴霧を点火プラグ側の焦点に集め、点火プラグ近傍に一塊の混合気場を安定して形成可能となり、安定した火花点火成層燃焼を実現できる。以上より、スモークの出ない、かつ大量にＥＧＲを導入しても安定した燃焼が得られるためＮＯｘの少ない成層燃焼を実現できる。
【００１３】
また、燃料噴射弁がエンジンのシリンダ中心に設置されることにより、ピストンキャビティ形状及び燃焼室全体の形状を燃料噴射弁の中心軸に対しおおよそ対称とすることができ、Ｓ／Ｖ比が最小で、均質燃焼時の火炎伝播を対称とできるため、耐ノッキング性能に跳ね返りの出ない、すなわち出力や燃費に跳ね返りの出ないエンジンとすることができる。
【００１４】
請求項２の発明によれば、個々の噴孔がそれぞれ中実円錐形状の噴霧を形成することで、噴霧の下流側で隣り合う噴霧の間に隙間が生じるのを防止でき、より濃度むらのない均質な混合気場を形成できる。
【００１５】
請求項３の発明によれば、燃料噴射圧力が２０ＭＰａ以上に設定されることにより、低い燃料噴射圧力においては噴射された燃料の液滴粒径が大きくなる懸念があるホールノズルにおいても、粒径の小さい、すなわちスモークの発生などのない噴霧を形成できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の第１実施形態を示す筒内直噴エンジンの構成図である。
燃焼室１は、シリンダヘッド２と、シリンダブロック３と、ピストン４とにより画成される。シリンダヘッド２には燃焼室１に開口する吸気ポート５及び排気ポート６が設けられ、吸気弁７及び排気弁８が装着されると共に、これらを開閉動作させる吸気弁用カム９及び排気弁用カム１０が配置されている。
【００１７】
シリンダヘッド２の中央部には、燃焼室１内に臨ませて、燃料噴射弁１１と点火プラグ１２とを配置してある。ここでは特に、燃料噴射弁１１をシリンダ中心軸上に位置させ、これにできる限り近接させて点火プラグ１２を配置してある。燃料噴射弁１１及び点火プラグ１２の作動はエンジンコントロールユニット１３により制御される。
【００１８】
ピストン４の冠面の中央部には、凹状のキャビティＣが形成される。このキャビティＣは、ピストン４の中心に位置し中心部から周縁部に向かってやや下向きに傾斜する底面４ａと、この底面４ａの周縁部に連なり曲率を持つ曲面４ｂと、この曲面４ｂに連なり概ね燃料噴射弁１１の先端近傍を指向する平面４ｃとからなる。
【００１９】
図２にキャビティ形状と噴霧挙動の関係を示す。
先ず、噴霧は底面４ａ（第１壁面）に衝突するが、噴霧進行方向とその後噴霧が進行する側のキャビティ壁面とのなす角が鈍角になるよう底面４ａの角度が設定されている。衝突後の噴霧は、曲面４ｂ（第２壁面）と平面４ｃ（第３壁面）とによって誘導され進行する。曲面４ｂと平面４ｃとによって噴霧の噴射方向速度がもとの噴射された方向へ変換され、結果として渦のように旋回する流速を持つようになる。この旋回流速により周囲の空気を巻き込み、キャビティ上空に生成される混合気は濃度むらのない均質な混合気となる。
【００２０】
図３に噴射時期が異なる場合のキャビティ形状と噴霧挙動の関係を示す。
噴射時期が比較的早期に設定される場合、噴霧は最初にキャビティ壁の平面４ｃに鈍角に衝突する。その後の噴霧は、曲面４ｂと底面４ａによって誘導され進行する。底面４ａは、図２の場合に噴霧と鈍角に衝突するよう設定されるため、中央が隆起した形状となっている。このため、平面４ｃから曲面４ｂにて誘導された噴霧は、キャビティ上方へ誘導され循環領域を形成し、この場合の噴射時期においてもキャビティ上空に生成される混合気は濃度むらのない均質な混合気となる。従って、本実施形態のようなキャビティ形状を用いることにより、噴射時期によらず均質な混合気を形成することができ、これにより回転や負荷によらず安定した成層燃焼を実現できる。
【００２１】
図４に燃料噴射弁先端部の縦断面図（図５のＢ−Ｂ断面図）、図５に図４のＡ矢視図を示す。
燃料噴射弁１１はホールノズルであり、その中心軸の回りに等角度間隔で複数の噴孔１１ａが設けられている。各噴孔１１ａは、所定の直径を有する円断面形状を有し、各噴孔１１ａの軸線は斜め外側を指向して、全体として、図示の円錐角βを有している。
【００２２】
図６に噴霧形状を示す。燃料噴射弁１１の個々の噴孔１１ａはそれぞれ棒状に近い中実円錐形状の噴霧を形成する。そして、これらの噴孔１１ａから噴射された複数の噴霧が全体として中空円錐形状をなす。
ここで、隣り合う噴孔１１ａのなす角度αは、単一の噴孔１１ａからの噴霧角度θと同等かそれ以下に設定されている。例えば、広安ら（日本機械学会論文集（第２部）、621.436.013.4 ）によると、ホールノズル噴射弁の噴霧角θは２０度程度であるが、噴孔数を１０個、全体噴霧の傘角（図中β）を６０度に設定すると、噴霧同士のなす角度αは１８度となり、隣り合う噴霧同士が重なり合うことになる。
【００２３】
上記のように、個々の噴霧について中実噴霧を用いることで、強いペネトレーションを得、指向性を高め、筒内ガス流動の影響を受けがたくすることができる。このため、キャビティと噴霧との関係を安定させることができ、圧縮行程後半の高背圧下においても指向性の強い安定した噴霧形状を形成できる。
また、噴孔角度の設定により、隣り合う噴霧が接するか一部重なるため、複数噴霧が全体として一定形状の噴霧を形成し、この噴霧には隙間がなく、噴霧内部における燃料分布のむらも小さい。よって、濃度むらのない均質な一塊の混合気場を安定して形成可能となる。
【００２４】
図７に、燃焼室上方から見たピストンキャビティ形状を示す。エンジンのシリンダ中心軸方向からの平面視において、キャビティＣは、燃料噴射弁１１（その先端）と点火プラグ１２（その放電ギャップ）とを焦点とする楕円形状とする。燃料噴射弁１１より噴射された噴霧は、図２に示したようにキャビティ形状により循環領域を形成し、均一な成層混合気を形成するが、点火プラグ１２を楕円の焦点とすることにより、噴射された噴霧がキャビティ形状により点火プラグ１２付近に集められ、成層混合気が点火プラグ１２を中心とする成層混合気となる。
【００２５】
従って、エンジンレイアウトの制約により、燃料噴射弁１１と点火プラグ１２とを十分に近づけられないでも、複数の噴霧を点火プラグ側の焦点に集め、点火プラグ近傍に一塊の混合気場を安定して形成可能となり、安定した火花点火成層燃焼を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態を示す筒内直噴エンジンの構成図
【図２】 第１実施形態のキャビティ形状と噴霧挙動を示す図
【図３】 噴射時期違いのキャビティ形状と噴霧挙動を示す図
【図４】 燃料噴射弁先端部の縦断面図（図５のＢ−Ｂ断面図）
【図５】 図４のＡ矢視図
【図６】 第１実施形態の噴霧形状を示す図
【図７】 第１実施形態の上方から見たキャビティ形状を示す図
【符号の説明】
１ 燃焼室
２ シリンダヘッド
３ シリンダブロック
４ ピストン
４ａ 底面
４ｂ 曲面
４ｃ 平面
５ 吸気ポート
６ 排気ポート
１１ 燃料噴射弁
１１ａ 噴孔
１２ 点火プラグ

Claims (3)

  1. エンジンのシリンダ中心軸近傍に先端が位置するよう配設され燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグとを備え、ピストン上に形成したキャビティへ向けて前記燃料噴射弁から燃料を噴射し、この燃料噴射で形成した混合気に対し前記点火プラグで火花点火する筒内直噴エンジンにおいて、
    前記キャビティは、ピストンの中心に位置し中心部から周縁部に向かってやや下向きに傾斜する底面と、この底面の周縁部に連なり曲率を持つ曲面と、この曲面に連なり燃料噴射弁の先端近傍を指向する平面とを備え、
    前記燃料噴射弁からの噴霧が前記底面に衝突する燃料噴射時期では、前記燃料噴射弁からの噴霧が前記底面に斜めに衝突し、衝突後の噴霧は前記曲面と前記平面とによって前記燃料噴射弁の側へ誘導され、
    これより早期の燃料噴射時期では、前記燃料噴射弁からの噴霧が前記平面に斜めに衝突し、衝突後の噴霧は前記曲面と前記底面とによって前記燃料噴射弁の側へ誘導され、
    前記曲面は、エンジンのシリンダ中心軸方向からの平面視において前記燃料噴射弁の先端と前記点火プラグの放電ギャップとを焦点とする楕円形状を有し、
    前記燃料噴射弁は、それぞれが略棒状の噴霧を形成する複数の噴孔を備え、前記複数の噴孔は、これらの噴孔から噴射された複数の噴霧が全体として中空円錐形状をなすよう配置されていることを特徴とする筒内直噴エンジン。
  2. 前記噴孔は、所定の直径を有する円断面形状を有しており、個々の噴孔がそれぞれ頂角の小さい中実円錐形状の噴霧を形成することを特徴とする請求項１記載の筒内直噴エンジン。
  3. 燃料噴射圧力が２０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の筒内直噴エンジン。
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