JP4092561B2 - 筒内噴射型内燃機関 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射型内燃機関（以下、エンジンという）に係り、詳しくは、その燃料噴射弁の噴射パターンに関するものである。
【０００２】
【関連する背景技術】
筒内噴射型エンジンでは、燃焼室内に噴射した燃料により点火プラグ近傍に点火可能な空燃比の混合気を形成した上で、その周囲に燃料希薄な空気を存在させて全体としてリーンな空燃比での運転を可能としている。点火プラグ近傍の混合気の形成状態には、燃料噴射弁の噴射パターンが非常に大きな影響を与えることから、燃料噴射弁の噴射パターンに関して種々の提案がなされている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１に記載された技術は、燃焼室の略中央に点火プラグを設けるとともに、その両側に吸気弁及び排気弁を配置し、燃料噴射弁を吸気弁側に配置して先端が点火プラグ側に向くように傾斜させている。燃料噴射弁のノズル形状は、噴射軸線を境界として点火プラグ側で濃い燃料噴霧を、ピストン側で希薄な燃料噴霧を形成するように設定されており、濃い燃料噴霧により点火プラグの点火性を向上させるとともに、希薄な燃料噴霧によりピストン上への燃料付着による未燃ガス成分の生成を抑制している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２４８５２５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に記載された技術は、燃料噴射弁からの燃料噴霧が点火プラグに直接的に移送される場合を想定したものであり、例えば吸入空気により生起されたタンブル流や噴射燃料自体が有する貫徹力等を利用しながら、所定の経路に沿って燃料噴霧を点火プラグ近傍まで移送する形式のエンジンに適用した場合には、以下に述べる不具合が生じる。
【０００６】
この種の筒内噴射型エンジンでは、点火時期に対応する所定タイミングで燃料噴霧が点火プラグに到達するように燃料噴射時期を設定する一方、所定の経路に沿った移送中に燃料の気化促進を図っている。ところが、特許文献１の技術を適用した場合には、濃い燃料噴霧が直接的に点火プラグに移送されるため、点火プラグは正規のタイミングより早期に濃い燃料噴霧に晒されて燻りを生じる上に、移送中の気化促進もほとんど望めない。その結果、点火プラグによる点火性が悪化してしまい、未燃ガス成分の排出が増加するという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、濃淡を有する噴射パターンにより濃い燃料噴霧を形成した上で、形成した濃い燃料噴霧が点火プラグに直接的に移送される事態を未然に防止して、所定の経路に沿って確実に点火プラグ近傍に移送し、もって、良好な点火性を実現することができる筒内噴射型内燃機関を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、内燃機関の燃焼室の一側に燃料噴射弁を配置し、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧を噴霧移送手段により所定の経路に沿って点火プラグ近傍まで移送する筒内噴射型内燃機関において、燃料噴射弁が、濃淡を有する所定の噴射パターンで燃料を噴射して、少なくとも噴射された濃い燃料噴霧を噴霧移送手段により所定の経路に沿って点火プラグ近傍に移送するとともに、燃料噴射弁から点火プラグへの濃い燃料噴霧の直接的な移送を防止すべく、噴射パターンの噴射軸線より点火プラグ側に燃料希薄な領域を形成し、噴射パターンの噴射軸線と直交する方向の濃い燃料噴霧の断面形状が、点火プラグ側を凸とする略ハ字状をなすとともに、略ハ字状の中央に形成された離間部を燃料希薄な領域としたものである。
【０００９】
従って、燃料噴射弁からは所定の噴射パターンで燃料が噴射され、少なくとも噴射された濃い燃料噴霧は、例えば吸入空気により生起されたタンブル流、或いは噴射燃料の貫徹力等を利用した噴霧移送手段により所定の経路に沿って点火プラグ近傍まで移送され、これにより点火プラグ近傍に点火のために好適な空燃比の混合気が形成されて、良好な点火性が実現される。
【００１０】
そして、噴射パターンの噴射軸線より点火プラグ側に燃料希薄な領域が形成されるため、濃い燃料噴霧の点火プラグへの直接的な移送が防止される。よって、点火プラグが正規のタイミングより早期に濃い燃料噴霧に晒されて燻りを生じる事態が回避されるとともに、結果としてより多くの濃い燃料噴霧が所定の経路に沿って移送されることから、燃料気化がより促進される。
【００１１】
また、燃料噴射弁から噴射された燃料は断面略ハ字状の濃い燃料噴霧を形成し、その燃料噴霧の略ハ字状の離間部が燃料希薄な領域となって点火プラグに対応するため、結果として濃い燃料噴霧が点火プラグに直接移送される事態が防止される。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１乃至３において、所定の経路に沿った燃料噴射弁から点火プラグまでの燃料噴霧の移送経路長が、噴射軸線を境界として点火プラグ側とピストン側とで異なるとともに、噴射パターンが、噴射軸線に対して点火プラグ側又はピストン側の何れかに燃料噴霧の濃淡を偏向して設定されるものである。
【００１４】
従って、所定の経路に沿った燃料噴霧の移送経路長が噴射軸線を境界として点火プラグ側とピストン側とで異なるため、何れの側に燃料噴霧の濃淡を偏向させるかに応じて、濃い燃料噴霧が点火プラグに到達するタイミングを変更可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した筒内噴射型エンジンの一実施形態を説明する。
本実施形態のエンジンは４サイクル直列４気筒ガソリン機関として構成され、図１はその１気筒の断面を示している。エンジン１にはシリンダブロック２側のピストン３とシリンダヘッド４との間に燃焼室５が形成され、シリンダヘッド４には燃焼室５の略中央に点火プラグ６が配置されている。シリンダヘッド４には点火プラグ６を中心として吸気ポート７及び排気ポート８が一対ずつ開口形成され、これらの吸排気ポート７，８は図示しないカムシャフトで駆動される吸気弁７ａ及び排気弁８ａにより所定のタイミングで開閉される。
【００１６】
各気筒の吸気ポート７は略直立方向に形成されて図示しない共通の吸気通路と接続され、吸入空気は吸気通路内でスロットル弁により流量調整された後に、吸気弁７ａの開弁に伴って吸気ポート７を経て燃焼室５内に導入される。又、各気筒の排気ポート８は略水平方向に形成されて図示しない共通の排気通路と接続され、燃焼室５内で燃焼後の排ガスは排気弁８ａの開弁に伴って排気ポート８、排気通路、図示しない触媒を経て大気中に排出される。
【００１７】
シリンダヘッド４には各気筒毎に燃料噴射弁９が設けられ、燃料噴射弁９から噴射された燃料噴霧は吸入空気の逆タンブル流を利用して移送される。即ち、直立した吸気ポート７から流入した吸入空気はピストン３上に形成されたキャビティ３ａにより反転されて逆タンブル流を生起し、その吸入空気により燃料噴霧は逆タンブル流の経路に沿って点火プラグ６まで移送されて点火される。本実施形態では、この逆タンブル流を生起するための吸気ポート７及びキャビティ３ａにより噴霧移送手段が構成されている。
【００１８】
各気筒の燃料噴射弁９は先端側のノズル部を点火プラグ６側に向けるように、気筒の中心軸線Ｌに対して自己の軸線ｌを所定角度αだけ傾斜させて配置されている。図２は燃料噴射弁の燃料噴霧と点火プラグとの位置関係、及び噴射軸線と直交する方向のＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃ位置での燃料噴霧の断面形状を示している。尚、噴射軸線は燃料噴射弁の軸線ｌと一致するため、以下の説明では同じくｌとして表す。
【００１９】
この図２に示すように、燃料噴射弁９は、図２に示すように噴射軸線ｌを境界として点火プラグ６側で燃料を噴射し、反対のピストン３側では燃料噴射を規制するように、そのノズル形状が設定されている。又、噴射軸線ｌより点火プラグ６側での噴射パターンは、点火プラグ６側を凸とする略ハ字状の断面形状をなしている。その結果、燃料噴射弁９からの噴射燃料は、主に噴射軸線ｌより点火プラグ６側において断面略ハ字状の濃い燃料噴霧１０を形成しながら、同一断面を保ってＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃの順に次第に拡散する一方、その濃い燃料噴霧１０の周囲、及び噴射軸線ｌよりピストン３側には希薄な燃料噴霧１１、若しくは燃料が存在しない領域（以下、まとめて希薄な燃料噴霧１１と表現する）を形成する。
【００２０】
そして、濃い燃料噴霧１０の噴射方向には点火プラグ６が位置するが、図２中にＣ−Ｃ断面で示すように、略ハ字状の中央に形成された離間部１０ａが点火プラグ６に対応するように、換言すれば略ハ字状の離間部１０ａの移動軌跡上に点火プラグ６が位置するように、燃料噴射弁９の噴射パターンが設定されている。
次に、以上のように構成された筒内噴射型エンジン１による吸入空気導入から燃焼までの作動状況を説明する。
【００２１】
エンジン１の運転状態から求められた所定のタイミングで燃料噴射弁９により燃料噴射が行われると、噴射燃料により主に噴射軸線ｌより点火プラグ６側に断面略ハ字状の濃い燃料噴霧１０が形成され、それ以外の領域には希薄な燃料噴霧１１が形成される。濃い燃料噴霧１０の領域は拡散しながら点火プラグ６方向に移送されるが、上記のように略ハ字状の離間部１０ａの移動軌跡上に点火プラグ６が位置しているため、点火プラグ６は濃い燃料噴霧に晒されることなく、離間部１０ａに存在する希薄な燃料噴霧１１に取り囲まれた状態に保持される。
【００２２】
又、燃料噴射と前後して吸気弁７ａの開弁に伴って吸入空気が燃焼室５内に導入され、吸入空気により生起された逆タンブル流の経路に沿って燃料噴霧１０，１１が移送される。移送中の燃料噴霧１０，１１はピストン３やシリンダヘッド４からの受熱により気化を促進された後、点火時期に対応するタイミングで点火プラグ６に到達し、点火されて燃焼する。
【００２３】
ここで、逆タンブル流に沿った燃料噴霧１０，１１の移送経路長は、点火プラグ６側の濃い燃料噴霧１０とピストン３側の希薄な燃料噴霧１１とで異なり、図１に実線で示す濃い燃料噴霧１０に比較して、破線で示す希薄な燃料噴霧１１の経路長は長くなる。そして、濃い燃料噴霧１０が点火時期に対応する所定のタイミングで点火プラグ６に到達するように燃料噴射時期が設定されているため、点火時期には濃い燃料噴霧１０により点火プラグ６近傍に点火のために好適な空燃比の混合気を形成でき、これにより良好な点火性を実現できる。又、このように濃い燃料噴霧１０が点火プラグ６に移送されるため、ピストン３上やシリンダライナには必然的に希薄な燃料噴霧１１が接することになり、燃料付着による未燃ガス成分の生成を抑制することができる。
【００２４】
加えて、燃料噴霧１０，１１の濃淡を利用して濃い燃料噴霧１０を点火プラグ６近傍に移送し易くしているため、均一濃度の燃料噴霧をピストン形状等に頼って点火プラグ６近傍に移送する場合に比較して、ピストン形状等の影響を受けることなく確実に燃料噴霧を移送でき、ひいては安定した燃焼状態を実現してエンジン１の信頼性を向上することができる。
【００２５】
しかも、上記のように濃い燃料噴霧１０を略ハ字状の断面形状とすることで、濃い燃料噴霧１０が点火プラグ６に直接的に移送されるのを防止しているため、点火プラグ６が正規のタイミング（タンブル流による移送後のタイミング）より早期に濃い燃料噴霧１０に晒されて燻りを生じる事態を未然に回避できる。また、結果としてより多くの濃い燃料噴霧１０が逆タンブル流に沿って移送されるため、燃料気化をより促進できる。よって、これらの要因が相俟って点火性を一層向上することができる。
【００２６】
一方、燃料噴霧１０，１１の移送経路長が点火プラグ６側とピストン３側とで相違することから、この特色は、濃い燃料噴霧１０の点火プラグ６への到達タイミングを変更するために利用できる。つまり、燃料噴射弁９のノズル形状を設定し直したり、軸心ｌを中心として燃料噴射弁９の取付を１８０°変更したりして、図３に示すように噴射軸線ｌを境界として燃料噴霧の濃淡を逆転させた場合、ピストン３側の濃い燃料噴霧１０は長い経路長を経て点火プラグ６に到達するため、図１に基づいて説明した場合に比較して点火プラグ６への到達タイミングが遅延されることになる。通常、燃料噴霧１０，１１の点火プラグ６への到達タイミングは燃料噴射時期によって調整されるが、それに加えて噴射パターンの設定によっても到達タイミングを変更可能となるため、エンジン１の仕様に基づく要求に一層柔軟に対応できるという利点も得られる。
【００２７】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、略直立方向の吸気ポート７及びピストン３のキャビティ３ａにより吸入空気に逆タンブル流を生起させ、この逆タンブル流を利用して燃料噴霧１０，１１を移送したが、上記した作用から明らかなように、少なくとも濃い燃料噴霧１０を点火プラグ６近傍に移送可能であれば、希薄な燃料噴霧１１の移送を積極的に図る必要はないし、濃い燃料噴霧１０を移送するための原理も限定されることはない。
【００２８】
よって、濃い燃料噴霧１０を主体として点火プラグ６までの移送が行われるように逆タンブル流を生起させてもよいし、或いは、逆タンブル流のような筒内流動を利用することなく、噴射燃料の貫徹力により燃料噴霧１０，１１をピストン３上で反転させて点火プラグ６近傍に移送するようにしてもよい。
又、上記実施形態では、噴射軸線ｌより点火プラグ６側に断面略ハ字状の濃い燃料噴霧１０が形成されるように、燃料噴射弁９の噴射パターンを設定したが、濃い燃料噴霧１０の点火プラグ６への直接的な移送を防止できれば、噴射パターンはこれに限定されない。よって、例えば図４に示すように略ハ字状の断面形状を湾曲させてもよく、この場合でも上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００２９】
更に、例えば図５に示すように、点火プラグ６側及びピストン側３が縊れたひょうたん型の断面形状をなす濃い燃料噴霧１０が噴射軸線ｌを中心として形成されるように、燃料噴射弁９の噴射パターンを設定してもよい。この場合でも、濃い燃料噴霧１０が拡散しながら点火プラグ６方向に移送されたときに、燃料噴霧の点火プラグ６側の縊れ部１０ｂ、つまり燃料希薄な領域の移動軌跡上に点火プラグ６が位置するため、点火プラグ６が濃い燃料噴霧１０に晒される事態を防止できる。又、図５では、濃い燃料噴霧１０の中心を噴射軸線ｌと一致させたが、図６に示すように、濃い燃料噴霧１０を扁平状断面としてその中心を噴射軸線ｌから偏心させれば、上記実施形態と同様に燃料噴霧の濃淡を任意に逆転できることになり、それに伴って濃い燃料噴霧１０の点火プラグ６への到達タイミングを変更することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発明の筒内噴射型内燃機関によれば、濃淡を有する噴射パターンにより濃い燃料噴霧を形成した上で、噴射パターンの噴射軸線より点火プラグ側に燃料希薄な領域を形成したため、濃い燃料噴霧が点火プラグに直接的に移送される事態を未然に防止して、所定の経路に沿って確実に点火プラグ近傍に移送し、もって、良好な点火性を実現することができる。
【００３１】
請求項２の発明の筒内噴射型内燃機関によれば、請求項１に加えて、噴射パターンによる濃淡の設定状態に応じて、燃料噴霧が点火プラグ近傍に到達するタイミングを変更できるため、内燃機関の仕様に基づく要求に柔軟に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の筒内噴射型エンジンの１気筒を示す構成図である。
【図２】燃料噴射弁の燃料噴霧と点火プラグとの位置関係、及び燃料噴霧の断面形状を示す模式図である。
【図３】燃料噴霧の濃淡を逆転させたときの移送経路長の変化を示す説明図である。
【図４】濃い燃料噴霧の略ハ字状の断面形状を湾曲させた別例を示す模式図である。
【図５】濃い燃料噴霧を断面ひょうたん型に形成した別例を示す模式図である。
【図６】図５の濃い燃料噴霧を扁平状断面として、噴射軸線から偏心させた別例を示す模式図である。
【符号の説明】
１ エンジン（内燃機関）
３ａ キャビティ（噴霧移送手段）
６ 点火プラグ
７ 吸気ポート（噴霧移送手段）
９ 燃料噴射弁
１０ 濃い燃料噴霧
１０ａ 離間部
１０ｂ 縊れ部
１１ 希薄な燃料噴霧
ｌ 噴射軸線

Claims (2)

1. 内燃機関の燃焼室の一側に燃料噴射弁を配置し、該燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧を噴霧移送手段により所定の経路に沿って点火プラグ近傍まで移送する筒内噴射型内燃機関において、
   上記燃料噴射弁は、濃淡を有する所定の噴射パターンで燃料を噴射して、少なくとも噴射された濃い燃料噴霧を上記噴霧移送手段により所定の経路に沿って点火プラグ近傍に移送するとともに、上記燃料噴射弁から点火プラグへの濃い燃料噴霧の直接的な移送を防止すべく、上記噴射パターンの噴射軸線より点火プラグ側に燃料希薄な領域を形成してなり、
   上記噴射パターンの噴射軸線と直交する方向の上記濃い燃料噴霧の断面形状は、上記点火プラグ側を凸とする略ハ字状をなすとともに、該略ハ字状の中央に形成された離間部を上記燃料希薄な領域としたことを特徴とする筒内噴射型内燃機関。
2. 上記所定の経路に沿った上記燃料噴射弁から点火プラグまでの燃料噴霧の移送経路長は、噴射軸線を境界として上記点火プラグ側とピストン側とで異なるとともに、上記噴射パターンは、上記噴射軸線に対して上記点火プラグ側又はピストン側の何れかに燃料噴霧の濃淡を偏向するように設定されることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射型内燃機関。

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