JP4124703B2

JP4124703B2 - In-cylinder injection spark ignition engine

Info

Publication number: JP4124703B2
Application number: JP2003175889A
Authority: JP
Inventors: 史隆本城
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2003-06-20
Filing date: 2003-06-20
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2023-06-20
Also published as: JP2005009428A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射式火花点火エンジンの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の筒内噴射式火花点火エンジンとして、例えば特許文献１に開示されているように、ピストンの頂面に凹状に窪むキャビティと、このキャビティによって形成される燃焼室と、この燃焼室に燃料を噴射するインジェクタと、この噴射燃料に着火する点火プラグとを備えるものがある。この場合、成層燃焼が行われる運転条件にて、インジェクタ６から噴射された燃料はキャビティ１０に案内されて点火プラグ５の近傍に導かれるようになっている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００３−２７９４４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の筒内噴射式火花点火エンジンにあっては、ガス燃料を使用する場合、ガス燃料は液体燃料に比べて燃焼室におけるインジェクタから噴射される燃料の貫徹力が弱いため、キャビティの内壁面が平滑に形成されていると、吸気行程にてシリンダに生起されるスワール等のガス流動が強いと、燃料を点火プラグの近傍に導くことが難しく、成層燃焼の安定性を確保できないという問題点があった。
【０００５】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ガス燃料を使用しても成層燃焼の安定性を確保できる筒内噴射式火花点火エンジンを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、ピストンの頂面に凹状に窪むキャビティと、このキャビティによって形成される燃焼室と、この燃焼室にガス燃料を噴射するインジェクタと、この噴射されたガス燃料に着火する点火プラグとを備える筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、
前記キャビティの内壁面に対して凹状に窪む案内溝を、前記キャビティの前記インジェクタと対峙する部位から点火プラグと対峙する部位に渡って、かつ両端部が前記ピストン頂面に対して開口して形成し、この案内溝によって前記インジェクタから噴射されたガス燃料を前記点火プラグの近傍に導く構成とした。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、案内溝をその開口幅が深さ方向について次第に拡がるものとした。
【０００９】
【発明の作用および効果】
第１の発明において、インジェクタから噴射され、点火プラグに向かう燃料は案内溝の内側を通ることにより、スワール等のガス流動によって燃焼室に拡散することが抑えられ、点火プラグの近傍には可燃範囲の濃い混合気層が形成される。このため貫徹力の小さいガス燃料を使用しても、安定した成層燃焼が行われる。
【００１０】
そして、インジェクタからキャビティの案内溝に向けて噴射された燃料は速やかに点火プラグの近傍に移動し、点火時に点火プラグの近傍には可燃範囲の濃い混合気層が形成され、安定した成層燃焼が行われる。
【００１１】
第２の発明において、案内溝の開口幅が深さ方向について次第に拡大していることによって、燃料が案内溝を通って点火プラグの近傍に導かれる効果を高められ、スワール等のガス流動によって燃焼室内に拡散することが有効に抑えられる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１、図２において、１はピストン、２はシリンダヘッド、３はシリンダブロック、９はシリンダ、４はこれらにより画成された燃焼室、５は点火プラグ、６は燃料インジェクタ、７は吸気バルブ、８は吸気ポートを示す。
【００１４】
インジェクタ６には圧縮天然ガス（ＣＮＧ）、液化石油ガス（ＬＰＧ）等のガス燃料が供給される。インジェクタ６は図示しないコントローラからエンジン回転に同期して出力される駆動パルス信号により開弁駆動され、燃焼室４にガス燃料を噴射するようになっている。
【００１５】
シリンダヘッド２の燃焼室壁面２ａとピストン３の頂面１ａは、シリンダ９の中心線に対して直交する平面状にそれぞれ形成され、互いに略平行に対峙している。
【００１６】
ピストン頂面１ａに凹状に窪むキャビティ１０が形成される。キャビティ１０は図２の平面図上にてピストン頂面１ａに対して長円形に開口した開口部１０ａと、同じく長円形の底部１０ｃと、図３の断面図にて外周寄り開口部１０ａから底部１０ｃにかけて延びる緩斜面１０ｄと、底部１０ｃから中央寄りの開口部１０ａにかけて延びる急斜面１０ｅ等を有する。
これにより、成層燃焼が行われる運転条件にて、インジェクタ６から噴射された燃料はキャビティ１０に案内されて点火プラグ５の近傍に導かれるようになっている。
【００１７】
しかし、ガス燃料は液体燃料に比べて燃焼室４におけるインジェクタ６から噴射される燃料の貫徹力が弱いため、キャビティ１０の内壁面が平滑に形成されていると、吸気行程にてシリンダ９に生起されるスワール等のガス流動が強い場合、燃料を点火プラグ５の近傍に導くことが難しい。
【００１８】
本発明はこれに対処して、キャビティ１０の内壁面に対して凹状に窪む案内溝１１を形成し、この案内溝１１によってインジェクタ６から噴射された燃料を点火プラグ５の近傍に導く構成とする。
【００１９】
案内溝１１が図２の平面図上にてインジェクタ６に対峙する部位から点火プラグ５に対峙する部位に渡って直線状に延びる。案内溝１１はピストン頂面１ａに対して開口する溝開口端部１１ａ，１１ｂを有する。
【００２０】
図４の断面図にて、案内溝１１は略矩形の断面形状を持つ。溝底面１１ｃはシリンダ９の中心線と略直交して延びている。両溝側面１１ｄ，１１ｅはシリンダ９の中心線と略平行に延びている。
【００２１】
図２の平面図上にて、案内溝１１は略一定の開口幅を持って直線状に延びている。案内溝１１の開口幅はインジェクタ６から噴射される燃料の拡散角度等に応じて設定される。
【００２２】
本実施の形態では、案内溝１１の溝深さは長手方向について略一定に形成されるが、これに限らず、案内溝１１の溝深さは溝開口端部１１ａ，１１ｂに近づくのにしたがって次第に浅くなるように形成しても良い。また、溝開口端部１１ａ，１１ｂをピストン頂面１ａに対して開口させず、キャビティ１０の内壁面に開口させても良い。
【００２３】
以上のように構成されて、次に作用について説明する。
【００２４】
成層燃焼を行う運転領域にあっては、インジェクタ６から圧縮行程の後半にガス燃料が噴射される。燃料噴射時にはピストン１が上昇し、インジェクタ６からピストン１のキャビティ１０に向けて噴射された燃料は、燃焼室４の中央部の点火プラグ５に向かう。
【００２５】
このとき、図５の（ａ），（ｂ）に示すように、点火プラグ５に向かう燃料は案内溝１１の内側を通ることにより、スワール等のガス流動によって燃焼室４内に拡散することが抑えられる。案内溝１１が図２の平面図上にてインジェクタ６に対峙する部位から点火プラグ５に対峙する部位に渡って直線状に延びているため、インジェクタ６からキャビティ１０の案内溝１１に向けて噴射された燃料は速やかに点火プラグ５の近傍に移動し、点火時に点火プラグ５の近傍には可燃範囲の濃い混合気層が形成される。
【００２６】
点火プラグ５の点火作用により可燃混合気層に着火されると、この部分を中心にして燃焼が周囲の希薄混合気層へと伝播する。このため希薄な混合気であっても、安定した成層燃焼が行われる。
【００２７】
一方、拡散燃焼運転領域にあっては、インジェクタ６からの燃料噴射は吸気行程へと早められ、噴射燃料は点火までに十分に拡散し、均一的に混合する。
【００２８】
他の実施の形態として、図６に示すように、案内溝１１はその開口幅がピストン１の外周寄りから中央部寄りにかけて次第に小さくなるように形成しても良い。
【００２９】
この場合、インジェクタ６から噴射される燃料の拡散角度や噴射タイミングによっては、案内溝１１の開口幅が次第に縮小することによって燃料を点火プラグの近傍に導くことが有効に行われる。
【００３０】
他の実施の形態として、図７に示すように、案内溝１１はその開口幅がピストン１の外周寄りから中央部寄りにかけて次第に拡がるように形成しても良い。
【００３１】
この場合、インジェクタ６から噴射される燃料の拡散角度や噴射タイミングによっては、案内溝１１の開口幅が次第に拡大することによって燃料を点火プラグの近傍に導くことが有効に行われる。
【００３２】
他の実施の形態として、図８に示すように、案内溝１１はその開口幅が深さ方向について次第に拡がるように形成しても良い。図８の断面図にて、案内溝１１は略台形の断面形状を持つ。溝底面１１ｃはシリンダ９の中心線と略直交して延びている。両溝側面１１ｄ，１１ｅはシリンダ９の中心線に対して傾斜して延びている。
【００３３】
この場合、案内溝１１の開口幅が深さ方向について次第に拡大していることによって、燃料が案内溝１１を通って点火プラグの近傍に導かれる効果を高められ、スワール等のガス流動によって燃焼室４内に拡散することが有効に抑えられる。
【００３４】
他の実施の形態として、図９に示すように、案内溝１１は略円形の断面形状を持つように形成しても良い。
【００３５】
この場合、案内溝１１の開口幅を小さくしながらその断面積を十分に確保することが可能となり、燃料が案内溝１１を通って点火プラグの近傍に導かれる効果を高められ、スワール等のガス流動によって燃焼室４内に拡散することが有効に抑えられる。
【００３６】
他の実施の形態として、ガソリンを使用燃料とするエンジンの場合、図９に示すように、シリンダヘッド２の燃焼室壁面２ａをペントルーフ型に形成し、ピストン１の頂面１ａをこの燃焼室壁面２ａとほぼ平行となるような斜面に形成し、この斜面のうちインジェクタ６に対峙する一方の斜面にキャビティ１０を形成しても良い。
【００３７】
この場合も、キャビティ１０の内壁面に対して凹状に窪む案内溝１１を形成し、この案内溝１１によってインジェクタ６から噴射された燃料を点火プラグ５の近傍に導く構成とする。このため希薄な混合気であっても、安定した成層燃焼が行われる。
【００３８】
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示すエンジンの断面図。
【図２】同じくピストンの平面図。
【図３】同じく図２のＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図４】同じく図２のＢ−Ｂ線に沿う断図。
【図５】同じく（ａ），（ｂ）は燃料が移動する様子を示す断面図。
【図６】他の実施の形態を示すピストンの平面図。
【図７】他の実施の形態を示すピストンの平面図。
【図８】他の実施の形態を示すピストンの断面図。
【図９】他の実施の形態を示すピストンの断面図。
【図１０】他の実施の形態を示すピストン等の断面図。
【符号の説明】
１ピストン
２シリンダヘッド
４燃焼室
５点火プラグ
６燃料インジェクタ
９シリンダ
１０キャビティ
１１案内溝
１１ｃ溝底面
１１ｄ，１１ｅ溝側面[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement of a direct injection spark ignition engine.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as this type of in-cylinder spark ignition engine, for example, as disclosed in Patent Document 1, a cavity recessed in a top shape of a piston, a combustion chamber formed by this cavity, and this combustion Some include an injector that injects fuel into the chamber and an ignition plug that ignites the injected fuel. In this case, the fuel injected from the injector 6 is guided to the cavity 10 and guided to the vicinity of the spark plug 5 under the operating condition in which stratified combustion is performed.
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2003-27944
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a conventional in-cylinder spark ignition engine, when using gas fuel, gas fuel is weak in penetrating force of fuel injected from the injector in the combustion chamber as compared with liquid fuel. If the inner wall surface of the cavity is formed smoothly, it is difficult to guide the fuel to the vicinity of the spark plug if the gas flow such as swirl generated in the cylinder during the intake stroke is strong, ensuring the stability of stratified combustion There was a problem that it was not possible.
[0005]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide an in-cylinder injection spark ignition engine that can ensure the stability of stratified combustion even when gas fuel is used.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a cavity recessed in the top surface of a piston, a combustion chamber formed by the cavity, an injector for injecting gas fuel into the combustion chamber, and ignition for igniting the injected gas fuel. In a cylinder injection spark ignition engine comprising a plug,
A guide groove recessed in a concave shape with respect to the inner wall surface of the cavity extends from a portion facing the injector to a portion facing the ignition plug, and both ends open to the top surface of the piston. The gas fuel injected from the injector by the guide groove is guided to the vicinity of the spark plug.
[0008]
According to a second invention, in the first invention, the guide groove gradually widens in the depth direction in the guide groove.
[0009]
Operation and effect of the invention
In the first invention, the fuel injected from the injector and directed to the spark plug passes through the inside of the guide groove, so that it is suppressed from diffusing into the combustion chamber due to gas flow such as swirl, and in the vicinity of the spark plug is a combustible range. A rich gas mixture layer is formed. For this reason, stable stratified combustion is performed even if gas fuel having a low penetration force is used.
[0010]
The fuel injected from the injector toward the guide groove of the cavity quickly moves to the vicinity of the spark plug, and at the time of ignition, a rich mixture layer in the combustible range is formed in the vicinity of the spark plug, and stable stratified combustion occurs. Done.
[0011]
In the second invention, since the opening width of the guide groove is gradually enlarged in the depth direction, the effect that the fuel is guided to the vicinity of the spark plug through the guide groove is enhanced, and combustion is caused by gas flow such as swirl. Spreading into the room is effectively suppressed.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0013]
1 and 2, 1 is a piston, 2 is a cylinder head, 3 is a cylinder block, 9 is a cylinder, 4 is a combustion chamber defined by them, 5 is a spark plug, 6 is a fuel injector, and 7 is an intake valve. , 8 indicate intake ports.
[0014]
Gas fuel such as compressed natural gas (CNG) and liquefied petroleum gas (LPG) is supplied to the injector 6. The injector 6 is driven to open by a drive pulse signal output in synchronization with engine rotation from a controller (not shown) so as to inject gas fuel into the combustion chamber 4.
[0015]
The combustion chamber wall surface 2a of the cylinder head 2 and the top surface 1a of the piston 3 are respectively formed in a planar shape orthogonal to the center line of the cylinder 9, and face each other substantially in parallel.
[0016]
A cavity 10 that is recessed in a concave shape is formed on the piston top surface 1a. The cavity 10 has an opening 10a that opens in an oval shape with respect to the piston top surface 1a on the plan view of FIG. 2, a bottom 10c that is also oval, and a bottom portion from the opening 10a near the outer periphery in the sectional view of FIG. A gentle slope 10d extending to 10c, a steep slope 10e extending from the bottom 10c to the opening 10a closer to the center, and the like.
As a result, under the operating conditions in which stratified combustion is performed, the fuel injected from the injector 6 is guided to the cavity 10 and guided to the vicinity of the spark plug 5.
[0017]
However, gas fuel is weaker in penetrating force of the fuel injected from the injector 6 in the combustion chamber 4 than liquid fuel. Therefore, if the inner wall surface of the cavity 10 is formed smoothly, it will occur in the cylinder 9 during the intake stroke. When the gas flow such as swirl is strong, it is difficult to guide the fuel to the vicinity of the spark plug 5.
[0018]
The present invention addresses this problem by forming a guide groove 11 that is recessed in a concave shape with respect to the inner wall surface of the cavity 10, and guides the fuel injected from the injector 6 to the vicinity of the spark plug 5 by the guide groove 11. To do.
[0019]
The guide groove 11 extends linearly from a portion facing the injector 6 to a portion facing the spark plug 5 on the plan view of FIG. The guide groove 11 has groove opening end portions 11a and 11b that open to the piston top surface 1a.
[0020]
In the cross-sectional view of FIG. 4, the guide groove 11 has a substantially rectangular cross-sectional shape. The groove bottom surface 11 c extends substantially perpendicular to the center line of the cylinder 9. Both groove side surfaces 11 d and 11 e extend substantially parallel to the center line of the cylinder 9.
[0021]
In the plan view of FIG. 2, the guide groove 11 extends linearly with a substantially constant opening width. The opening width of the guide groove 11 is set according to the diffusion angle of the fuel injected from the injector 6.
[0022]
In the present embodiment, the groove depth of the guide groove 11 is formed to be substantially constant in the longitudinal direction. However, the present invention is not limited to this, and the groove depth of the guide groove 11 is closer to the groove opening end portions 11a and 11b. You may form so that it may become shallow gradually. Further, the groove opening end portions 11a and 11b may be opened on the inner wall surface of the cavity 10 without opening the piston top surface 1a.
[0023]
Next, the operation will be described.
[0024]
In the operation region where stratified combustion is performed, gas fuel is injected from the injector 6 in the latter half of the compression stroke. At the time of fuel injection, the piston 1 rises, and the fuel injected from the injector 6 toward the cavity 10 of the piston 1 goes to the spark plug 5 at the center of the combustion chamber 4.
[0025]
At this time, as shown in FIGS. 5A and 5B, the fuel directed to the spark plug 5 passes through the inside of the guide groove 11 and is diffused into the combustion chamber 4 by gas flow such as swirl. It can be suppressed. Since the guide groove 11 extends linearly from a portion facing the injector 6 to a portion facing the spark plug 5 on the plan view of FIG. 2, injection is performed from the injector 6 toward the guide groove 11 of the cavity 10. The fuel thus moved quickly moves to the vicinity of the spark plug 5, and at the time of ignition, an air-fuel mixture layer having a rich flammable range is formed in the vicinity of the spark plug 5.
[0026]
When the combustible mixture layer is ignited by the ignition action of the spark plug 5, the combustion is propagated to the surrounding lean mixture layer around this portion. For this reason, stable stratified combustion is performed even with a lean air-fuel mixture.
[0027]
On the other hand, in the diffusion combustion operation region, fuel injection from the injector 6 is advanced to the intake stroke, and the injected fuel is sufficiently diffused and uniformly mixed before ignition.
[0028]
As another embodiment, as shown in FIG. 6, the guide groove 11 may be formed such that the opening width gradually decreases from the outer periphery of the piston 1 toward the center.
[0029]
In this case, depending on the diffusion angle of fuel injected from the injector 6 and the injection timing, it is effective to guide the fuel to the vicinity of the spark plug by gradually reducing the opening width of the guide groove 11.
[0030]
As another embodiment, as shown in FIG. 7, the guide groove 11 may be formed such that the opening width gradually increases from the outer periphery of the piston 1 toward the center.
[0031]
In this case, depending on the diffusion angle of the fuel injected from the injector 6 and the injection timing, the opening width of the guide groove 11 gradually increases, so that the fuel is effectively guided to the vicinity of the spark plug.
[0032]
As another embodiment, as shown in FIG. 8, the guide groove 11 may be formed so that the opening width gradually expands in the depth direction. In the cross-sectional view of FIG. 8, the guide groove 11 has a substantially trapezoidal cross-sectional shape. The groove bottom surface 11 c extends substantially perpendicular to the center line of the cylinder 9. Both groove side surfaces 11 d and 11 e extend with an inclination with respect to the center line of the cylinder 9.
[0033]
In this case, since the opening width of the guide groove 11 is gradually enlarged in the depth direction, the effect that the fuel is guided to the vicinity of the spark plug through the guide groove 11 is enhanced, and the combustion chamber is caused by gas flow such as swirl. It is possible to effectively suppress the diffusion into 4.
[0034]
As another embodiment, as shown in FIG. 9, the guide groove 11 may be formed to have a substantially circular cross-sectional shape.
[0035]
In this case, it is possible to secure a sufficient cross-sectional area while reducing the opening width of the guide groove 11, and the effect that the fuel is guided to the vicinity of the spark plug through the guide groove 11 is enhanced. The diffusion into the combustion chamber 4 due to the flow is effectively suppressed.
[0036]
As another embodiment, in the case of an engine using gasoline as a fuel, as shown in FIG. 9, the combustion chamber wall surface 2a of the cylinder head 2 is formed in a pent roof type, and the top surface 1a of the piston 1 is used as the combustion chamber wall surface. Alternatively, the cavity 10 may be formed on one of the slopes facing the injector 6.
[0037]
Also in this case, a guide groove 11 that is recessed in the inner wall surface of the cavity 10 is formed, and the fuel injected from the injector 6 is guided to the vicinity of the spark plug 5 by the guide groove 11. For this reason, stable stratified combustion is performed even with a lean air-fuel mixture.
[0038]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is obvious that various modifications can be made within the scope of the technical idea.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an engine showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view of the piston.
3 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
4 is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG.
FIGS. 5A and 5B are cross-sectional views showing how fuel moves.
FIG. 6 is a plan view of a piston showing another embodiment.
FIG. 7 is a plan view of a piston showing another embodiment.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a piston showing another embodiment.
FIG. 9 is a cross-sectional view of a piston showing another embodiment.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a piston and the like showing another embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piston 2 Cylinder head 4 Combustion chamber 5 Spark plug 6 Fuel injector 9 Cylinder 10 Cavity 11 Guide groove 11c Groove bottom face 11d, 11e Groove side face

Claims

In-cylinder comprising a cavity recessed in the top surface of the piston, a combustion chamber formed by the cavity, an injector for injecting gas fuel into the combustion chamber, and an ignition plug for igniting the injected gas fuel In an injection spark ignition engine,
A guide groove recessed in a concave shape with respect to the inner wall surface of the cavity extends from a portion facing the injector to a portion facing the ignition plug, and both ends open to the top surface of the piston. An in-cylinder spark-ignition engine characterized in that the gas fuel injected from the injector is guided to the vicinity of the spark plug by the guide groove.

The in-cylinder injection spark ignition engine according to claim 1, wherein the guide groove is formed so that an opening width thereof gradually expands in a depth direction.