JP4096637B2 - 筒内直噴式内燃機関 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室内に直接燃料噴射する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、特開平１１−８２０２８号公報に示すものでは、燃焼室上部に設けた燃料噴射弁から中空円錐状の燃料を、ピストン冠面に設けたキャビティに向けて噴射する構成としている。キャビティは円筒状の周壁面と底壁面と円錐状隆起部からなり、上方より噴射された略中空円錐状の燃料噴霧はキャビティの周壁面に鋭角に衝突し、該周壁面に衝突した燃料が底壁面および円錐隆起部を経て、円錐状隆起部の上方に設けた点火プラグに向けて上昇することで、点火プラグ周辺に成層混合気を形成することを意図している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の筒内直噴式内燃機関においては、燃料噴霧が広がりながら進行すると共に、ピストン摺動方向と燃料進行方向ないしは燃料の広がり方向が大きく異なり、その結果、機関回転速度ならびに機関負荷に応じて燃料噴射時期が変わった場合に、ピストンに衝突する際の燃料噴霧の広がり程度や、ピストンヘの衝突位置などが大きく異なってくるため、必ずしも意図したような良好な成層混合気を形成できない。
【０００４】
すなわち、ある限られた期間のみ燃料噴射が可能であるため、成層燃焼を行える運転領域が制限され、燃料消費率の向上、排気エミッション低減が十分に行えない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明は、シリンダ軸線付近に点火プラグを配置し、ピストン冠面の略中央に底壁面と側壁面とを有するキャビティをシリンダ軸方向から見て略円形状に凹設する一方、前記キャビティ側壁面を、キャビティ中央へ向けて前記底壁面に対する勾配が緩くなるように下降する略円弧状に形成し、該キャビティ側壁面の上方に燃料噴射弁の先端部を配置するとともに、この燃料噴射弁から前記キャビティ側壁面へ向けて燃料を噴射し、中空円錐形からシリンダ中心側の一部分を切り欠いた半円錐状、かつ、最もシリンダ周壁に近い側の稜線がシリンダ軸線と略平行、の燃料噴霧を形成し、ピストン位置にかかわらず該燃料噴霧の多くを前記キャビティ側壁面へ衝突させる構成とした。
【０００６】
このようにすれば、燃料噴射弁から噴射された燃料の噴霧は、キャビティ側壁面の上方から下方へ向かいシリンダ軸線に沿って進行する燃料の割合が多くなり、この方向に進行する燃料は、衝突時のピストン位置（クランク角度）が異なっていても常に同じ位置関係を保ってキャビティ側壁面に衝突するので、成層混合気の形成に対する燃料噴射時期の影響が小さくなり、設定可能な燃料噴射時期の範囲を広げることができる。その結果、成層燃焼可能な運転領域が拡大して燃料消費率の向上、排気エミッション低減を十分に行うことができる。
さらに、燃料噴霧の最もシリンダ周壁に近い側の稜線が、シリンダ軸線と略平行であるため、ピストン摺動方向と異なる方向へ飛翔する燃料噴霧が少なくなり、広い運転領域で良好な混合気を点火プラグに配することが可能となる。
また、従来一般的なように燃料噴霧を切れ目のない中空円錐状とし、成層燃焼のために圧縮行程後半に燃料噴射を行った場合、円錐内部が圧縮行程後半の高い雰囲気圧力に対して低圧となるために、噴霧が内側に寄せられ、結果的に噴霧角が小さくなる。ところが、噴霧を半円錐状に広げることにより、噴霧内外に差圧を生じることがないため、噴霧角が筒内圧力つまりは噴射時期によって大きく変化することがない。
さらに、略円弧状のキャビティ側壁面に衝突した燃料の噴霧は、該側壁面で進行方向を変え、点火プラグ方向に向かうため、キャビティ内に厚い液膜を形成しにくい。また、キャビティに一旦薄く付着した燃料液膜は速やかに気化・混合がなされる。これにより、スモーク、燃焼室デポジットを生成することがなく、良好な成層燃焼を行うことができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１及び図２に、本発明の実施形態の構成を示す。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によって画成され、吸気ポート５と排気ポート６と、それぞれ吸気弁７、排気弁８を介して連通している。燃焼室１上部には、前記吸気弁７、排気弁８とともに、燃料噴射弁９と点火プラグ１０が配されており、点火プラグ１０が燃焼室１の略中心に設置されている。ピストン４冠面には燃料噴霧を受け止めるためのキャビティ１１が設けられている。該キャビティ１１は図２に示すように、平面図において略円形をなし、側壁面から底壁面に向けて緩やかな勾配を有している。
【０００８】
図３及び図４は、本実施形態の燃料噴霧の形態を示す。前記キャビティ１１側壁面の上方に燃料噴射弁９の先端すなわち噴孔９ａ（多噴孔のホールノズル）が位置し、この燃料噴射弁９から前記キャビティ１１側壁面１１へ向けて噴射した燃料の噴霧円錐の中心軸線とシリンダ軸線とのなす角度βが噴霧円錐角αの略１／２となるように、燃料噴射弁９をシリンダヘッド２に取り付ける。
【０００９】
また、前記燃料噴霧は、噴孔９ａ形状等により、前記中空円錐形からシリンダ中心側の半分を切り欠いた半円錐状に形成される。即ち、各噴孔から噴射される燃料噴霧が半円形をなし、半円形の中心部分（燃料噴霧の最もシリンダ周壁に近い側の稜線）がシリンダ軸線と平行に指向する。
ここで、燃料噴射は各サイクル中に燃料噴射弁を所定期間開弁することで行われ、燃料噴射量は一般的な燃料噴射弁では噴射率が一定であるため、燃料噴射期間を変えることで調整され、その場合、噴射開始時期または終了時期を変更することになる。機関回転速度が変わった場合は、要求負荷に基づいて所定期間の燃料噴射が行われるが、噴射期間が同一でも、噴射開始時期が固定の場合、回転速度が高い場合は、クランク角度換算では噴射終了時期が遅くなる。反対に、噴射終了時期が固定の場合は、噴射開始が相対的に早まることになる。また、機関負荷が変わる場合も、当然のことながら、噴射期間の変化に伴い、噴射終了時期または噴射開始時期が変動することになる。この結果、既述したように、従来の噴霧形態では、機関の負荷や回転速度の変化に応じて噴射終了時期または噴射開始時期が変動すると、ピストン冠面に燃料噴霧が衝突する際のピストン位置が大きく変化し、良好な成層混合気を安定して得ることが困難であった。
【００１０】
これに対し、本実施形態では、前記キャビティ１１側壁面の上方に燃料噴射弁９の先端を配置するとともに、この燃料噴射弁９から前記キャビティ１１側壁面へ向けて燃料を噴射する構成としたため、燃料噴霧の多くがキャビティ１１側壁面の上方から下方へ向かいシリンダ軸線に沿って進行し、衝突時のピストン位置（クランク角度）が異なっていても常に同じ位置関係を保ってキャビティ側壁面に衝突するので、成層混合気の形成に対する燃料噴射時期の影響が小さくなり、設定可能な燃料噴射時期の範囲を広げられ、成層燃焼可能な運転領域が拡大して燃料消費率の向上、排気エミッション低減が促進される。
【００１１】
上記本実施形態の効果を、図５を用いてより詳細に説明する。図５は、成層燃焼を行うために圧縮行程噴射を行った場合の、筒内の燃料の運動を示す。燃料噴射弁９から噴射される燃料は、シリンダ軸線方向、すなわちピストン摺動方向に噴射されるため、燃料噴射時期によらずキャビティ１１のおおむね同一位置で受け止められる。
【００１２】
燃料噴射弁９の中心部とキャビティ１１周壁のスロープ部１１ａとが、シリンダ軸線投影方向に同じ個所に配されているため、燃料噴霧はキャビティ１１周壁の対向するスロープ部１１ａに衝突する。燃料噴霧は１０Ｍｐａ以上の高圧で噴射されるため、該スロープ部１１ａに一旦衝突した後、その貫徹力で該スロープ部１１ａの勾配により方向を変え、キャビティ１１底面を点火プラグ１０下方に設けたシリンダ軸線を挟んで反対側のスロープ部に向けて進む。
【００１３】
この際、高圧噴射により微粒化された燃料噴霧がスロープと鈍角をなして衝突するため、冠面上に厚い液膜を生じることがなく、キャビティ１１底面を這うように移動する噴霧および液膜は順次気化・混合がなされる。しかる後に、点火プラグ１０下方のキャビティ１１周壁のスロープ部により燃料噴霧は燃焼室１上側へ跳ね上げられ、点火プラグ１０付近に良好な混合気を形成する。上記ような混合気運動は、ピストン４摺動方向に燃料噴霧が噴射されるため、機関負荷、回転速度によって、燃料噴射時期、燃料噴射期間が変わってもおおよそ同様となり、幅広い運転領域で良好な混合気を点火プラグ１０周辺に形成することが可能となる。
【００１４】
また本実施形態では、前記燃料噴射弁を、噴霧円錐の中心軸線とシリンダ軸線とのなす角度が噴霧円錐角の略１／２となるようシリンダヘッドに取り付け、かつ、中空円錐形からシリンダ中心側の一部分を切り欠いた半円錐状の噴霧を形成するように構成したため、以下のような効果が得られる。
すなわち、従来一般的なように燃料噴霧を切れ目のない中空円錐状とし、成層燃焼のために圧縮行程後半に燃料噴射を行った場合、円錐内部が圧縮行程後半の高い雰囲気圧力に対して低圧となるために、噴霧が内側に寄せられ、結果的に噴霧角が小さくなる。ところが、本実施形態のように、噴霧を半円錐状に広げることにより、噴霧内外に差圧を生じることがないため、噴霧角が筒内圧力つまりは噴射時期によって大きく変化することがない。したがって、キャビティ１１の一部に集中して燃料が衝突することを防ぐことが可能となり、スモークや燃焼室デポジットの生成を抑制することができる。
【００１７】
さらに、本実施形態では、前記燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の最もシリンダ周壁に近い側の稜線が、シリンダ軸線と略平行であるように構成したことにより、ピストン摺動方向と異なる方向へ飛翔する燃料噴霧を少なくすることができ、広い運転領域で良好な混合気を点火プラグ１０に配することが可能となる。
【００２０】
また、本実施形態では、前記燃料噴射弁９から噴射された燃料噴霧の少なくとも半分が、前記キャビティ１１のシリンダ軸線側の壁面に対して鈍角をなして衝突するよう設定されている構成としたため、衝突した燃料噴霧はキャビティ１１で進行方向を変え、点火プラグ１０方向に向かうため、キャビティ１１内に厚い液膜を形成することない。一旦薄く付着した燃料液膜は速やかに気化・混合がなされるため、スモーク、燃焼室デポジットを生成することがなく、成層燃焼を行うことができる。
【００２１】
同じく、本実施形態では、前記キャビティ１１が、側壁面から底壁面に向かって緩やかな勾配を有するように構成したため、ピストン４冠面のキャビティ１１で受け止められた燃料が気化しながら、勾配を這い上がり、点火プラグ１０方向へと舞い上がることにより、確実に点火プラグ１０周辺に成層混合気を配置することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す縦断面図。
【図２】同上実施形態のピストンを示す平面図及び縦断面図。
【図３】同上実施形態の燃料噴霧の形態を示す図。
【図４】同上実施形態の燃料噴霧の形態を示す図。
【図５】同上実施形態の筒内の燃料の運動を示す図。

Claims (3)

1. シリンダ軸線付近に点火プラグを配置し、ピストン冠面の略中央に底壁面と側壁面とを有するキャビティをシリンダ軸方向から見て略円形状に凹設した筒内直噴式内燃機関であって、
   前記キャビティ側壁面を、キャビティ中央へ向けて前記底壁面に対する勾配が緩くなるように下降する略円弧状に形成し、該キャビティ側壁面の上方に燃料噴射弁の先端部を配置するとともに、
   この燃料噴射弁から前記キャビティ側壁面へ向けて燃料を噴射し、中空円錐形からシリンダ中心側の一部分を切り欠いた半円錐状、かつ、最もシリンダ周壁に近い側の稜線がシリンダ軸線と略平行、の燃料噴霧を形成し、ピストン位置にかかわらず該燃料噴霧の多くを前記キャビティ側壁面へ衝突させることを特徴とする筒内直噴式内燃機関。
2. 前記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧の少なくとも半分が、前記キャビティのシリンダ中心側の壁面に対して鈍角をなして衝突するよう設定されていることを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴式内燃機関。
3. 前記キャビティの点火プラグ下方位置に、キャビティ底壁面から上部に向かう緩やかな勾配を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の筒内直噴式内燃機関。

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