JP4016748B2

JP4016748B2 - 筒内直接噴射火花点火式内燃機関

Info

Publication number: JP4016748B2
Application number: JP2002202139A
Authority: JP
Inventors: 康治平谷; 尚徳小野田; 章彦角方
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-07-11
Filing date: 2002-07-11
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2022-07-11
Also published as: JP2004044462A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内直接噴射火花点火式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平１１−８２０２８号公報には、燃焼室上部の略中心に位置する燃料噴射弁からピストン冠面の略中央部に形成したキャビティへ向けて略中空円錐状の噴霧を噴射する筒内直噴エンジンが開示されている。
【０００３】
このエンジンのキャビティは噴霧の流れを上方へ旋回させる形状となっており、そのためキャビティ内部とその上方の空間に噴霧の循環流が生じ、この流れが空気を巻き込んで燃料と空気との良好な混合が進む。また、循環流の存在によって燃料の拡散が抑制され、混合気と周囲の空気との境界がはっきりした良好な成層状態を得ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、混合気塊の大きさがキャビティの大きさによって決まってしまうため、負荷が低い（燃料噴射量が少ない）場合は混合気塊の平均空燃比が大きくなり、負荷が高い場合は混合気塊の平均空燃比が小さくなる。すなわち、広い負荷範囲で望ましい空燃比の混合気を得ることが困難である。
【０００５】
また、大きさの異なる複数のキャビティを同心状に形成することも考えられるが、この場合はピストン冠面の形状が複雑となって燃焼室のＳ／Ｖ比が悪化し、出力・燃費性能に悪影響が出るおそれがある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の内直接噴射火花点火式燃機関は、成層運転領域の低負荷運転条件では、ピストン冠面の略中央に設けられたキャビティの円周方向の一部に向けて、フューエルインジェクタから燃料を噴射する。
【０００７】
【発明の効果】
本発明によれば、成層運転領域の低負荷運転条件においてキャビティ円周方向の一部に向けて燃料を噴射することにより、安定して燃費が良い成層燃焼が実現できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図１〜図４を用いて詳細に説明する。
【０００９】
図１は筒内直接噴射火花点火式内燃機関の全体構成を示す説明図である。この実施例における筒内直接噴射火花点火式内燃機関は、燃焼室１と、燃焼室１を形成するシリンダヘッド２と、シリンダブロック３と、ピストン４と、吸気ポート５と、排気ポート６と、吸気弁７と、排気弁８と、吸気弁用カム９と、排気弁用カム１０と、フューエルインジェクタ１１と、点火プラグ１２と、機関コントロールユニット１３と、ピストン４冠面の略中央に形成された略円形のリエントラント形のキャビティ１５と、を有している。
【００１０】
キャビティ１５は、フューエルインジェクタ１１から噴射された燃料が衝突する底面１５ａと、キャビティ１５の開口側に向かって漸次小径となる略テーパ形状の側壁面１５ｂと、底面１５ａと側壁面１５ｂとを滑らかに連続させる曲面１５ｃと、から構成されている。
【００１１】
そして、キャビティ１５の底面１５ａは、図２ａに示すように、フューエルインジェクタ１１から噴射される燃料の噴霧中心軸線Ｐとその後噴霧が進行する側のキャビティ１５の底面１５ａとのなす角αが鈍角になるよう底面１５ａの角度が設定されている。換言すれば、噴霧中心軸線Ｐと、この噴霧中心軸線に沿って噴射された燃料が衝突するキャビティ１５の底面１５ａ（線分Ｑ）と、が為す上記キャビティ１５内で上記キャビテイ１５外周側の角度αが鈍角となるよう形成されており、底面１５ａに衝突した燃料をキャビティ１５の外周側に指向させる構成となっている。
【００１２】
フューエルインジェクタ１１には、圧縮行程後半における筒内圧力上昇時にも噴霧形状の変化が小さく、指向性の強いホールノズル噴射弁が用いられている。
【００１３】
この第１実施例におけるフューエルインジェクタ１１は、図３に示すように、バルブボディ２０内に収容された針弁２１のリフト量により主に燃料が噴射される噴孔２２が可変される構造のもので、この構造自体は、例えば特開２０００−３０３９３６に示されるように公知である。
【００１４】
このフューエルインジェクタ１１は、複数の噴孔２２，…２２を有し、複数の噴孔２２，…２２のうち点火プラグ１２が設定される方向の噴孔２２が針弁２１のリフト方向の最下方に位置し、点火プラグ１２から遠くなる噴孔２２ほど針弁２１のリフト方向の上方側に位置している。換言すれば、複数の噴孔２２，…２２のうち、ピストン４の往復軸線方向からみて、点火プラグ１２にもっとも接近しているものが針弁２１のリフト方向の最も下方に位置し、かつ複数の噴孔２２，…２２は、ピストン４の往復軸線方向からみて、点火プラグ１２から遠ざかるものほど針弁２１のリフト方向の上方側に位置している。
【００１５】
そして、成層運転領域の低負荷運転条件においては針弁２１のリフト量を小さくし、主に下方へ設置された噴孔２２からのみ燃料を噴射する（図３ｂ）。すなわち、キャビティ１５の円周方向の一部に向けて燃料が噴射される。
【００１６】
また、負荷の上昇とともに針弁２１のリフト量を増加させることにより燃料が噴射される噴孔２２の数を増加させる（図３ｃ）。より詳しくは、成層運転領域における最大負荷運転条件、すなわち成層運転領域の高負荷運転条件および均質運転領域においては、針弁２１のリフト量を大きくし全ての噴孔２２，…２２から燃料が噴射され、キャビティ１５の全体に燃料が噴射される。
【００１７】
ここで、成層運転領域の高負荷運転条件における燃料の噴霧挙動を図２を用いて説明する。まず、噴霧された燃料はキャビティ１５の底面１５ａに衝突する（図２ａ）。その後噴霧は、曲面１５ｃと側壁面１５ｂによって誘導され進行する（図２ｂ）。曲面１５ｃと側壁面１５ｂによって噴霧の噴射方向がもとの噴射された方向へ変換され、結果としてうずのように旋回する流速を持つようになる（図２ｃ）。この旋回流速により周囲の空気を巻き込み、キャビティ１５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。
【００１８】
図４に、成層運転領域中の低負荷・中負荷・高負荷における混合気状態を示す。低負荷においてはキャビティ１５の円周方向一部に成層混合気が生成される。本発明において、フューエルインジェクタ１１は燃焼室１の略中央に設置され、点火プラグ１２はそのわずか横に設置される。低負荷において混合気を生成する場合、キャビティ１５上方（ピストン往復軸線方向）から見て点火プラグ１２を含む空間に混合気を生成する（図４ａ）。そして、負荷の上昇とともにキャビティ１５上方（ピストン往復軸線方向）から見て扇形状を広げるように混合気が生成される領域が大きくなる（図４ｂ）。換言すれば、負荷の上昇とともにキャビティ１５内の燃料が噴射されるされる領域が、キャビティ１５の円周方向に大きくなる。
【００１９】
成層運転領域の高負荷運転条件においてはキャビティ１５およびその上空全てを用いて成層混合気が生成される（図４ｃ）。また、機関上死点において、キャビティ１５およびその上空の容積内に燃料が噴射された場合、おおよそ理論混合気の成層混合気を形成するように、キャビティ１５の容積が決定されている。
【００２０】
尚、上述した第１実施例においては、複数の噴孔２２，…２２がピストン４の往復軸線方向からみて、点火プラグ１２から遠ざかるものほど針弁２１のリフト方向の上方側に位置しているが、複数の噴孔を針弁２１のリフト方向に少なくとも２段階にするようにしてもよい。
【００２１】
次に、本発明の第２実施例について説明する。この第２実施例は、フューエルインジェクタ１１にホールノズル噴射弁を用いた第１実施例に対し、フューエルインジェクター１１に、図５に示す燃料噴射弁３０を用いたものであって、この燃料噴射弁３０によって、略中空円錐形状に燃料を噴霧可能となっている。尚、この第２実施例においては、フューエルインジェクタ１１に用いる燃料噴射弁３０以外の構成は、第１実施例と同一構成になっている。
【００２２】
この燃料噴射弁３０は、バルブボディ３１と、このバルブボディ３１内に収容された針弁３２及びスワラー３３と、を有し、噴孔３４出口には段差３５が設けられている。この第２実施例に用いられるような燃料噴射弁３０は、例えば特開２０００−３２９０３６に示されるように公知であり、針弁３２のリフト量を小さくすると、段差３５により偏った噴霧が噴射される。また、燃料噴射弁３０は、針弁３２のリフト量が小さい時に噴射された燃料の噴霧方向が、点火プラグ１２側になるよう配設されている。
【００２３】
そして、成層運転領域の低負荷運転条件においては針弁３２のリフト量を小さくし、負荷の上昇とともに針弁３２のリフト量を増加させる。すなわち、針弁３２のリフト量が小さい成層運転領域の低負荷運転条件では、図６に示すように、燃料噴射弁３０からキャビティ１５の円周方向一部に偏った噴霧が噴射される。
【００２４】
そして、針弁３２のリフト量が大きい成層運転領域の高負荷運転条件や均質運転領域においては、図７に示すように、燃料の噴霧形状が、略中空円錐形状でかつこの中空円錐の一部が燃料噴射方向に沿って一部切りかかれた形状となり、その噴霧形状がおおよそ変化しない。これにより、筒内の圧力が高い圧縮行程においても、噴霧形状が変化しにくく指向性の強い噴霧となり、上述した図２に示したような均質な混合気場を形成できる。
【００２５】
以上、説明してきたように、成層運転領域の低負荷運転条件においては、キャビティ１５の円周方向の一部に向けて燃料を噴射することにより、安定して燃費が良い成層燃焼が実現できる。
【００２６】
また、キャビティ１５はリエントラント形のキャビティであり、フューエルインジェクタ１１から噴射された燃料が衝突するキャビティ１５の底面１５ａは、衝突した燃料をキャビティ１５の外周側に指向させるべく、フューエルインジェクタ１１から噴射された燃料の噴霧中心軸線Ｐと、この噴霧中心軸線Ｐに沿って噴射された燃料が衝突する底面１５ａ（線分Ｑ）と、が為すキャビティ１５内でキャビテイ１５外周側の角度αが鈍角となるよう形成されている。これより、噴射された燃料がキャビティ形状により誘導され、噴霧の噴射方向が噴射された方向へ変換され、成層混合気内で循環領域を形成する。つまり、燃料が空気と混合しやすく濃度むらもできにくいため、均質でかつ混合気周囲との境界がはっきりとした混合気が生成される。そして、成層混合気内に均質な混合気塊を形成することにより、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の少ない成層燃焼が実現できる。
【００２７】
そして、負荷の上昇とともにキャビティ内の燃料が噴射される領域がキャビティ１５の円周方向に大きくなることにより、成層運転領域の低負荷運転条件から高負荷運転条件まで安定した燃焼が実現できる。
【００２８】
成層運転領域における最大負荷運転条件においては、キャビティ全体に燃料が噴射されることにより、成層運転領域の高負荷運転条件において燃費が良くかつ未燃ＨＣ，ＮＯｘの少ない燃焼が実現できる。
【００２９】
フューエルインジェクタ１１として、指向性の強いホールノズル噴射弁を用いることにより、成層運転領域において、安定した燃焼が実現できる。
【００３０】
また、ホールノズル噴射弁の複数の噴孔２２，…２２が針弁２１のリフト方向に少なくとも２段階に設置され、針弁２１のリフト量を可変とすることにより、成層運転領域の低負荷運転条件から高負荷運転条件まで安定した燃焼が実現できる。
【００３１】
ホールノズル噴射弁の複数の噴孔２２，…２２のうち、ピストン４の往復軸線方向からみて、点火プラグ１２にもっとも接近しているものが針弁２１のリフト方向の最も下方に位置し、かつ複数の噴孔２２，…２２は、ピストン４の往復軸線方向からみて、点火プラグ１２から遠ざかるものほど針弁２１のリフト方向の上方側に位置していることにより、成層運転領域の低負荷運転条件から高負荷運転条件まで連続的に安定した燃費が実現できる。
【００３２】
また、燃焼室１内に略中空円錐形状の燃料噴霧が可能な燃料噴射弁３０をフューエルインジェクタ１１として用いることにより、比較的低燃圧でも微粒化された噴霧が実現でき、スモークや未燃ＨＣの少ない燃焼が実現できる。
【００３３】
そして、略中空円錐形状の燃料噴霧が可能な燃料噴射弁３０からの燃料の噴霧形状を可変とすることにより、成層運転領域の低負荷条件から高負荷条件まで安定した燃費が実現できる。また、筒内の圧力が高い圧縮行程においても噴霧形状が変化しないため、円錐噴霧であっても指向性が強い噴霧となり、成層運転領域において、安定した燃焼が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る筒内直接噴射火花点火式内燃機関の全体構成を示す説明図。
【図２】成層運転領域の高負荷運転条件における燃料の噴霧挙動を示す説明図。
【図３】本発明の第１実施例におけるフューエルインジェクタの説明図。
【図４】成層運転領域中の低負荷・中負荷・高負荷における混合気状態を示す説明図。
【図５】本発明の第２実施例におけるフューエルインジェクタの説明図。
【図６】本発明の第２実施例におけるフューエルインジェクタの針弁低リフト時の噴霧を示す説明図。
【図７】本発明の第２実施例におけるフューエルインジェクタの針弁高リフト時の噴霧を示す説明図。
【符号の説明】
１…燃料室
４…ピストン
１１…フューエルインジェクタ
１２…点火プラグ
１５…キャビティ

Claims

燃焼室の略中央にフューエルインジェクタが配設され、ピストン冠面の略中央に略円形のキャビティを持つ筒内直接噴射火花点火式燃機関において、成層運転領域の低負荷運転条件では、上記キャビティの円周方向の一部に向けて、上記フューエルインジェクタから燃料を噴射し、
上記キャビティはリエントラント形キャビティであり、かつ上記フューエルインジェクタから噴射された燃料が衝突するキャビティ底面は、衝突した燃料を上記キャビティの外周側に指向させるべく、上記フューエルインジェクタから噴射された燃料の噴霧中心軸線と、この噴霧中心軸線に沿って噴射された燃料が衝突するキャビティ底面と、が為す上記キャビティ内で上記キャビテイ外周側の角度が鈍角となるよう形成されていることを特徴とする筒内直接噴射火花点火式内燃機関。
燃焼室の略中央にフューエルインジェクタが配設され、ピストン冠面の略中央に略円形のキャビティを持つ筒内直接噴射火花点火式燃機関において、成層運転領域の低負荷運転条件では、上記キャビティの円周方向の一部に向けて、上記フューエルインジェクタから燃料を噴射し、
上記キャビティ内の燃料が噴射される領域が、負荷の上昇と伴に、上記キャビティの円周方向に大きくなることを特徴とする筒内直接噴射火花点火式内燃機関。
燃焼室の略中央にフューエルインジェクタが配設され、ピストン冠面の略中央に略円形のキャビティを持つ筒内直接噴射火花点火式燃機関において、成層運転領域の低負荷運転条件では、上記キャビティの円周方向の一部に向けて、上記フューエルインジェクタから燃料を噴射し、
成層運転領域における最大負荷運転条件においては、上記キャビティ全体に燃料が噴射されることを特徴とする筒内直接噴射火花点火式内燃機関。
上記フューエルインジェクタは複数の噴孔を持つホールノズル噴射弁であって、成層運転領域の低負荷運転条件においては上記複数の噴孔のうちの一部の噴孔より燃料が噴射されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の筒内直接噴射火花点火式内燃機関。
上記複数の噴孔が上記フューエルインジェクタの針弁のリフト方向に少なくとも２段階に設置され、上記針弁のリフト量を可変とすることにより燃料が噴射される噴孔を変化させることを特徴とする請求項４に記載の筒内直接噴射火花点火式内燃機関。
上記複数の噴孔のうち、上記ピストンの往復軸線方向からみて、点火プラグにもっとも接近しているものが上記針弁のリフト方向の最も下方に位置し、かつ上記複数の噴孔は、上記ピストンの往復軸線方向からみて、点火プラグから遠ざかるものほど上記針弁のリフト方向の上方側に位置していることを特徴とする請求項４または５に記載の筒内直接噴射火花点火式内燃機関。
上記フューエルインジェクタは、燃料室内に略中空円錐形状に燃料を噴霧可能なものであって、成層運転領域の低負荷運転条件においては主に偏向された方向へ燃料が噴射されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の筒内直接噴射火花点火式内燃機関。
上記フューエルインジェクタの針弁のリフト量に応じて、上記フューエルインジェクタから噴射される燃料の噴霧形状が可変となることを特徴とする請求項７に記載の筒内直接噴射火花点火式内燃機関。
成層運転領域の高負荷運転条件と均質運転領域においては、燃料の噴霧形状が、略中空円錐形状でかつこの中空円錐の一部が燃料噴射方向に沿って一部切りかかれた形状となり、その噴霧形状がおおよそ変化しないことを特徴とする請求項７または８に記載の筒内直接噴射火花点火式内燃機関。