JP4075453B2 - 直噴火花点火式内燃機関 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料を筒内に直接噴射する直噴火花点火式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、直噴火花点火式内燃機関において、燃料噴射弁から直接筒内に燃料を噴射し、筒内に成層化した混合気を形成することで大幅な希薄燃焼を行うものがある。これは特に内燃機関が中負荷時又は低負荷時にある場合において、燃料消費量を大幅に低減させることができるという利点がある。
【０００３】
このような直噴火花点火式内燃機関においては、混合気に着実に点火して燃焼させる必要があるため、内燃機関の回転数及び負荷に応じて筒内に適切な大きさ及び空燃比の成層混合気を点火プラグの点火位置に形成することが重要である。このためには、燃料噴射弁からの燃料噴霧を微粒化し、噴霧とピストン冠面の形状の組み合わせにより噴霧と空気の混合を制御して所望の成層混合気を形成することが肝要である。
【０００４】
一方、燃料を筒内へ直接噴射し圧縮着火燃焼するディーゼル機関においては、特開平９−４９４３１号公報に記載のように、ピストン冠面に形成されたキャビティ内に突起部が形成され、燃料噴射弁から噴霧された燃料を突起部に衝突させ、キャビティ内へ拡散させる直噴式内燃機関が開示されている。
該公報に記載の発明は、噴霧された燃料をキャビティ内の突起部に衝突させて微粒化し、圧縮して着火・燃焼を行うディーゼル機関に適用されるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、該公報に記載の発明は、燃料噴霧と空気の良好な混合を図るための技術として直噴火花点火式内燃機関にも有効であるが、ディーゼル内燃機関を前提として燃料をキャビティの下方へ拡散させる構成となっている。そのため、燃焼室の上部に配設された点火プラグの近傍に混合気を成層化させる必要がある直噴式火花点火式内燃機関へそのまま適用することは困難である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そのため本発明に係る直噴火花点火式内燃機関では、ピストンの冠面にキャビティを形成し、キャビティ側面をキャビティ底面と滑らかに連続する曲面で構成し、キャビティ底面をその中央部に向かって深くなるように傾斜させ、キャビティの略中央には、キャビティ底面からシリンダ軸方向に突出する突起部を設ける。また、この突起部の先端に燃料噴射弁からの燃料噴霧と対向する頂面を形成し、この頂面の延長面がキャビティ底面と鈍角に交わるように構成する。
更に本発明では、キャビティには、突起部の周囲に、頂面の延長面とキャビティ底面との交線より低くなるような窪みを形成する。
また本発明では、突起部の頂面を、２つの平面によりペントルーフ状に形成する。
【０００７】
【発明の効果】
本発明によれば、キャビティ底面からシリンダ軸方向に突出する突起部の先端に頂面を設けたため、燃料噴射弁から噴霧された燃料が頂面に衝突して噴霧を微粒化させることができる。そして、キャビティの側面が底面と滑らかに連続する曲面で構成されているため、キャビティ内とその上方に領域に、微粒化した燃料噴霧の循環流を形成する。循環流の内部に対しては微粒化した燃料噴霧が蒸発拡散することで均質な混合気を形成し、循環流の外部においては燃料噴霧の過拡散を抑制する。その結果、点火プラグの近傍において適度な状態の成層混合気を形成するという効果がある。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明するが、本発明の範囲は以下に説明される実施の形態に限定されるものではない。
図１は、直噴火花点火式内燃機関の全体構成を示すシステム構成図（参考例）である。
【０００９】
内燃機関１は、シリンダヘッド３とシリンダブロック５とピストン７から画成される燃焼室９を備え、吸気バルブ１１及び吸気ポート１３によって燃焼室９に新気を導入し、排気バルブ１５及び排気ポート１７によって燃焼室９から排気を排出する。燃焼室９の上部の略中央には燃料噴射弁１９と点火プラグ２１を配設している。
【００１０】
内燃機関１は、エンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵという）２３によって統合的に制御される。ＥＣＵ２３は、アクセル開度センサ２５や水温センサ２７及びクランク角センサ２９等のセンサによって送られる信号に基づき必要な処理や演算を行い、燃料噴射弁１９や点火プラグ２１等を制御する。
図２は、燃焼室を示す拡大断面図（参考例）である。本参考例において、燃焼室９はペントルーフ状に形成され、燃焼室９の上部の中央には燃料噴射弁１９が配設され、燃料噴射弁１９の近傍に点火プラグ２１が配設されている。
【００１１】
ピストン７は、燃焼室９のペントルーフ形状に対応する冠面形状を有し、その冠面の中央にキャビティ（ボウル）３１が凹設されている。キャビティ３１は、底面３３と側面３５から構成され、側面３３を底面３５と滑らかに連続する曲面で構成し、その曲面がキャビティ３１の開口部において点火プラグ２１の方向を指向している。そして、底面３３の中央からシリンダの軸方向に突出して突起部３７が形成されている。
【００１２】
突起部３７は、その先端に燃料噴射弁１９と対向する頂面３９を有している。本参考例において、頂面３９は燃料噴射弁１９からの噴霧の中心軸に略垂直な面で構成されている。頂面３９の延長面Ｐは、キャビティ３１の底面３３と鈍角に交わっている。ここで鈍角とは、図２に示す角度θが１３５〜１８０度の間であることをいう。
【００１３】
以上の構成を備える内燃機関１について、燃料が噴射された場合の説明をする。
ピストン７が圧縮上死点に近づいた頃に、燃料は燃料噴射弁１９からキャビティ３１の突起部３７に向けて噴射される。噴射された燃料は、そのほぼ全量が突起部３７の頂面３９に衝突し、噴霧が微粒化される。微粒化された噴霧は突起部３７の頂面３９から径方向外側に進行して、周囲の空気を巻き込みながら再拡散する。
【００１４】
この時、再拡散された噴霧は、底面３３と鈍角に衝突して曲面に沿って側面３５へと進行し、図２に示す矢印のようにキャビティ３１から燃焼室９の上部に向けて循環流を形成する。この循環流内で燃料噴霧が気化・混合され、成層混合気が形成される。成層混合気は、その内部が略均質に混合され、外部に対しては過剰な拡散が抑制された状態となっている。
【００１５】
本参考例によれば、燃料噴射弁から噴射される燃料の全量が突起部３７の頂面３９に衝突するように構成されているので、大粒径の噴霧が残らず、より均質な成層混合気を形成することができるという効果がある。
また、本参考例によれば、キャビティ３１の側面３５を構成する曲面はキャビティ３１の開口部において点火プラグ２１の方向を指向しているので、点火プラグ２１の近傍に成層混合気を形成する。そして、成層化混合気を良好に燃焼することができ、安定燃焼を実現すると同時に排気有害成分の排出量を低減し、良好な燃費を得ることができるという効果がある。
【００１６】
また、本参考例によれば、突起部３７の頂面３９が燃料噴射弁の噴霧の中心軸に略垂直な面で構成されているので、噴霧が頂面３９に衝突する際の衝撃が大きく、噴霧の微粒化が促進されるため、より均質な成層混合気を形成することができるという効果がある。
なお、本参考例によれば、燃料噴射弁１９が燃焼室９の中央に配設されるので、噴霧された燃料がシリンダ壁面に付着することを避けられると共に、噴射時期に対して燃料噴射弁１９の軸心と突起部３７の軸心の位置関係が略同一直線上のまま変化しない。そのため、より幅広い機関回転速度及び負荷において良好な成層混合気を形成することができるという効果がある。
【００１７】
次に、第１の実施形態について説明する。図３は、第１の実施形態に係る内燃機関の燃焼室を示す断面図である。なお、図３において前述の参考例と同じ部分については同じ符号で示しており、その説明は省略する。
本実施形態においては、図示のように突起部３７の周囲に、頂面３９の延長面Ｐとキャビティ３１の底面３３との交線より低くなるような窪み４１が形成されている。
【００１８】
燃料噴射弁１９から噴射された燃料は、突起部３７の頂面３９に衝突して、噴霧が微粒化され、径方向外側へ再拡散される。この際、窪み４１が再拡散する噴霧流の下側から空気を巻き込み、再拡散する噴霧の上側と下側の両方から気化・混合を促進することができる。
そのため、本実施形態によれば、より均質な成層混合気を形成することができ、より安定した燃焼が行え、ＨＣやＮＯｘ等の排出を抑えることができるという効果がある。
【００１９】
図４は、内燃機関の燃焼室を示す断面図（参考図）である。なお、図４においても前述と同じ部分については同じ符号で示し、その説明を省略する。
本参考例においては、突起部３７の先端部を図示のような円錐状に形成し、頂面３９ａを円錐面で構成している。本参考例においても円錐面３９ａと底面３３のなす角θは鈍角に形成されている。
【００２０】
燃料噴射弁１９から噴射された燃料は、この円錐面３９ａに衝突して、噴霧が微粒化される。円錐面３９ａは水平方向から若干の傾斜を設けて形成されているため、燃料噴霧は噴霧方向に対して垂直より若干下側に傾斜した角度で径方向外側に進行し、底面３３から側面３５へと噴霧の循環流が形成される。
本参考例において、頂面３９が平面で形成された場合と比較して燃料噴霧が底面３３にスムーズに進行するため、点火プラグ２１の近傍により均質な成層混合気を形成することができる。そして、より安定した燃焼が行え、ＨＣやＮＯｘ等の排出を抑えることができるという効果がある。
【００２１】
図５は、第２の実施形態に係る内燃機関の燃焼室を示す断面図である。図６は第２の実施形態に係る内燃機関の燃焼室を示す３面図であり、（イ）はその断面図、（ロ）は（イ）のＡ−Ａ線における平面図、（ハ）は（ロ）のＢ−Ｂ線における断面図である。
本実施形態においては、突起部３７の先端部は２つの平面からなるペントルーフ状に形成されている。突起部３７の先端部のペントルーフの頂角は、前述と同様に、噴霧された燃料が成層混合気を形成するのに都合がよいことから鈍角に形成されている。
【００２２】
ここで、図６に示す記号Ｒは、燃焼室９のペントルーフの稜線の位置を示している。本実施の形態において、突起部３７の稜線Ｔと燃焼室９のペントルーフの稜線Ｒとが平行に形成されている。そして、ピストン７の冠面もペントルーフ状に形成されており、その稜線Ｑが燃焼室９のペントルーフの稜線Ｒと平行に形成されている（図６（ハ）参照）。
【００２３】
ここで、第１の実施形態では、燃料噴霧は突起部３７の径方向外側の全周へ拡散するが、本実施形態においては、突起部３７のペントルーフの稜線Ｔに垂直な方向へ拡散する。そのため、より成層化した小さな混合気塊を形成することが可能となり、より低負荷時において良好な燃費を得ることができる。そして、キャビティ３１の底面３３から開口部までの曲面を全周に渡り形成する必要がなく、燃焼室９の設計の自由度が高くなるという利点がある。
【００２４】
図７は、第３の実施形態に係る内燃機関の燃焼室を示す３面図であり、（イ）はその断面図、（ロ）は（イ）のＡ−Ａ線における平面図、（ハ）は（ロ）のＢ−Ｂ線における断面図である。
本実施形態においても、前述の実施形態と同じく突起部３７の先端部は２つの平面からなるペントルーフ状に形成されている。しかし、本実施形態においては、突起部３７のペントルーフの稜線Ｔと燃焼室９のペントルーフの稜線Ｒとが直交して形成されている。
【００２５】
本実施形態によれば、キャビティ３１の底面３３から開口部にかけての曲面を大きく形成することができ、噴霧された燃料を微粒化して燃焼室９のペントルーフの尾根向きに再拡散させる際に、より均質な成層混合気を形成することができるという効果がある。
図８は、内燃機関の燃焼形態の切り替えにおいて機関回転速度及び負荷との関係を示す図である。図９は、内燃機関の吸気行程中に燃料噴射を行う場合の燃焼室を示す断面図（参考図）である。内燃機関１のシステム構成は図１に示す通りである。
【００２６】
内燃機関１のＥＣＵ２５は、アクセル開度センサ２５と水温センサ２７とクランク角センサ２９等から送られる信号に基づき、内燃機関１の運転状況を総合的に判断して成層燃焼と均質燃焼を切り替える。本発明においては、比較的低負荷時には主に圧縮行程に燃料を噴射して燃焼室９内に成層化した混合気を形成して火花点火燃焼を行わせ、比較的高負荷時には主に吸気行程に燃料を噴射して燃焼室内に均質な混合気を形成して火花点火燃焼を行わせている。
【００２７】
そのため、内燃機関１の運転条件に応じて成層燃焼と均質燃焼との２つの燃焼方式を切り替えることで、低燃料消費と高出力を両立することができるという効果がある。
なお、本発明の実施形態に用いられる燃料噴射弁１９は、いわゆるスワール型のものである。スワール型噴射弁は高背圧下においては噴霧角が狭角となり、低背圧下においては広角となる特性がある。そのため成層燃焼を行う場合、即ち背圧の高い圧縮行程に燃料を噴射する場合には、噴霧全体をキャビティ３１の突起部３７の頂面３９に衝突させることができる。均質燃焼を行う場合、即ち背圧の低い吸気行程に燃料を噴霧する場合には、噴霧を燃焼室９全体に拡散し均質に混合する必要のある内燃機関１において好ましい。
【００２８】
スワール型噴射弁を用いることで、成層燃焼及び均質燃焼の両方において好ましい噴霧特性を得ることができ、低燃費と高出力の両方を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 直噴火花点火式内燃機関の全体構成を示すシステム構成図（参考例）
【図２】 燃焼室を示す拡大断面図（参考例）
【図３】 第１の実施形態に係る直噴火花点火式内燃機関の燃焼室を示す断面図
【図４】 直噴火花点火式内燃機関の燃焼室を示す断面図（参考例）
【図５】 第２の実施形態に係る直噴火花点火式内燃機関の燃焼室を示す断面図
【図６】 燃焼室を示す３面図であり（イ）は断面図、（ロ）は（イ）のＡ−Ａ線における平面図、（ハ）は（ロ）の断面図
【図７】 燃焼室を示す３面図であり（イ）は断面図、（ロ）は（イ）のＡ−Ａ線における平面図、（ハ）は（ロ）の断面図
【図８】 機関の燃焼形態の切り替えにおいて機関回転速度及び負荷との関係を示す図
【図９】 内燃機関の吸気行程中に燃料噴射を行う場合の燃焼室を示す断面図（参考例）
【符号の説明】
１ 直噴火花点火式内燃機関
７ ピストン
９ 燃焼室
１９ 燃料噴射弁
２１ 点火プラグ
３１ キャビティ（ボウル）
３３ 底面
３５ 側面
３７ 突起部
３９ 頂面
４１ 窪み

Claims (11)

1. 燃焼室上部の略中央に燃料噴射弁と点火プラグとを配設し、シリンダ内を往復動するピストンの冠面に底面と側面とで画成されるキャビティを凹設した直噴火花点火式内燃機関において、
   前記キャビティ側面を前記キャビティ底面と滑らかに連続する曲面で構成し、
   前記キャビティ底面をその中央部に向かって深くなるように傾斜させ、
   前記キャビティの略中央に前記キャビティ底面からシリンダ軸方向に突出する突起部を設け、
   この突起部の先端に前記燃料噴射弁からの燃料噴霧と対向する頂面を形成し、
   この頂面の延長面が前記キャビティ底面と鈍角に交わるようにする一方、
   前記キャビティには、前記突起部の周囲に、前記頂面の延長面と前記キャビティ底面との交線より低くなるような窪みが形成されることを特徴とする直噴火花点火式内燃機関。
2. 前記突起部の頂面は、燃料噴射弁からの噴霧の中心軸に略垂直な面で構成されることを特徴とする請求項１記載の直噴火花点火式内燃機関。
3. 前記突起部の頂面は、円錐面で構成されることを特徴とする請求項１記載の直噴火花点火式内燃機関。
4. 前記突起部の頂面は、２つの平面によりペントルーフ状に形成されることを特徴とする請求項１記載の直噴火花点火式内燃機関。
5. 燃焼室上部の略中央に燃料噴射弁と点火プラグとを配設し、シリンダ内を往復動するピストンの冠面に底面と側面とで画成されるキャビティを凹設した直噴火花点火式内燃機関において、
   前記キャビティ側面を前記キャビティ底面と滑らかに連続する曲面で構成し、
   前記キャビティ底面をその中央部に向かって深くなるように傾斜させ、
   前記キャビティの略中央に前記キャビティ底面からシリンダ軸方向に突出する突起部を設け、
   この突起部の先端に前記燃料噴射弁からの燃料噴霧と対向する頂面を形成し、
   この頂面の延長面が前記キャビティ底面と鈍角に交わるようにする一方、
   前記突起部の頂面は、２つの平面によりペントルーフ状に形成されることを特徴とする直噴火花点火式内燃機関。
6. 前記突起部の頂面のペントルーフ形状の稜線と、燃焼室のペントルーフ形状の稜線とが互いに直交する方向を指向していることを特徴とする請求項５記載の直噴火花点火式内燃機関。
7. 燃料噴射弁から噴射される燃料の全量が前記突起部の頂面に衝突するように構成されたことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関。
8. 前記キャビティ側面を構成する曲面はキャビティの開口部において点火プラグの方向を指向していることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関。
9. 燃料噴射弁が燃焼室上部の中央に配置され、点火プラグがこれに近接して配置されることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関。
10. 燃料噴射弁がスワール式噴射弁であることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関。
11. 比較的低負荷時には主に圧縮行程に燃料を噴射して燃焼室内に成層化した混合気を形成して火花点火燃焼を行わせ、比較的高負荷時には主に吸気行程に燃料を噴射して燃焼室内に均質な混合気を形成して火花点火燃焼を行わせることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関。

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