JP4143843B2

JP4143843B2 - 筒内噴射型火花点火式内燃機関

Info

Publication number: JP4143843B2
Application number: JP2003337891A
Authority: JP
Inventors: 茂雄山本
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2003-09-29
Filing date: 2003-09-29
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2023-09-29
Also published as: JP2005105877A

Description

本発明は、筒内噴射型火花点火式内燃機関に係り、詳しくはインジェクタと点火プラグのレイアウト技術に関する。

燃焼室内にインジェクタにより燃料を直接噴射する筒内噴射型火花点火式内燃機関が知られている。この筒内噴射型火花点火式内燃機関では、熱効率、ノック抑制、ＨＣ低減の観点から火炎伝播を燃焼室のボア端から等距離とし、且つ燃料を噴射することによるライナ付着燃料の抑制を図るため、点火プラグとインジェクタとを極力燃焼室のボア中心に配置するのが理想とされている。

また、筒内噴射型火花点火式内燃機関において、燃焼室上壁の中央部にインジェクタからの燃料噴霧中または燃料噴霧稜線近傍に位置するよう点火プラグの電極部をレイアウトし、燃料噴射中または直後に燃料噴霧に直接点火を行うスプレーガイド方式と呼ばれる技術が知られている。このスプレーガイド方式によれば、燃費の向上、ＨＣの低減、スモークの抑制等の効果を得ることができる。

しかし、現在主流の吸気２弁、排気２弁の４弁構造の筒内噴射型火花点火式内燃機関についてインジェクタと点火プラグのレイアウトを考えてみると、燃焼室上壁の中央部分のスペースは狭く、ここにインジェクタと点火プラグの両方をレイアウトするのは耐久信頼性上困難である。そこで、吸・排気弁の小型化が考えられるが、これでは吸入空気量が減少し出力低下を招き好ましいことではない。またインジェクタや点火プラグの小型化も考えられるが、元々小型であるインジェクタや点火プラグをさらに小型化させるのは困難である上、それほどの効果は得られず好ましいことではない。

一方、最近では、吸気３弁、排気２弁の５弁構造を用いた筒内噴射式エンジンが開発されており（特許文献１参照）、当該５弁構造を用いた筒内噴射式エンジンによれば、吸入空気量を減少させることなく且つ燃焼室上壁の中央部分に広大なスペースを備えることができ、耐久信頼性を十分に確保しつつ、燃焼室上壁の中央部にインジェクタと点火プラグをレイアウトすることが可能である。
特開２０００−１８０９０号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された筒内噴射式エンジンでは、インジェクタの燃料噴射口が点火プラグの電極部よりも低い位置に配設されており、このような構成では、インジェクタの先端が火炎に曝されることになるため、先端温度が上がりやすい上、カーボンデポジットに起因して噴射口が詰まりやすく、燃料の噴霧特性を変質させやすいという問題がある。

また、この構成ではインジェクタからの燃料噴霧中または噴霧稜線近傍に位置して点火プラグの電極部をレイアウトすることは不可能であり、スプレーガイド方式を採用することができない。
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、出力性能と耐久信頼性を両立させつつインジェクタと点火プラグを理想的な位置にレイアウトすることによって熱効率の向上、ノックの抑制、ＨＣの低減とともにインジェクタと点火プラグの耐久性の向上を図り、さらにスプレーガイド方式の採用により燃費の向上、スモークの低減をも実現可能な筒内噴射型火花点火式内燃機関を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１の筒内噴射型火花点火式内燃機関では、燃焼室に燃料を直接噴射するインジェクタと点火プラグとを備えた筒内噴射型火花点火式内燃機関において、前記燃焼室の周縁に沿って３つの吸気弁と２つの排気弁とが配設され、中央部に該吸気弁及び排気弁に近接した各辺からなる五角錐状の凹部が形成された前記燃焼室の上壁と、該凹部の底部且つ前記吸気弁寄りに位置する噴出口を有し、前記燃焼室に対して略直立に配設されたインジェクタと、前記凹部の斜面部に、前記インジェクタの噴射口よりも相対的に前記燃焼室内方に位置し、且つ前記インジェクタの噴射口から噴射される燃料噴霧中若しくは該燃料噴霧近傍に位置する電極部を有し、前記２つの排気弁の間に配設された点火プラグとを備えることを特徴としている。

請求項２の筒内噴射型火花点火式内燃機関では、請求項１において、前記上壁の内部に前記インジェクタの噴射口と前記点火プラグの電極部との間に位置して冷却水通路を設けたことを特徴としている。

上記手段を用いる本発明の請求項１の筒内噴射型火花点火式内燃機関によれば、５弁構造により燃焼室上壁の中央部に５角形の広大なスペースを形成でき、このスペースにインジェクタの噴射口と点火プラグの電極部とを良好にレイアウトすることができる。
これにより、火炎伝播を燃焼室のボア端から略等距離にするようにして熱効率の向上、ノックの抑制及びＨＣの低減を図ることができ、且つボア中心から燃料噴射を行うようにしてライナ付着燃料の抑制を図ることができる。

また、燃焼室上壁中央部に形成された錐状の凹部の底部にインジェクタを配設し、当該凹部の斜面部に点火プラグを配設したスプレーガイド方式を採用したことで、さらに燃費の向上やスモークの抑制を図ることができる。
また、このような構成から、点火プラグの電極部はインジェクタの噴射口よりも燃焼室内方に位置し、インジェクタの噴射口は燃焼室の上壁寄りに位置することになるので、インジェクタの噴射口周辺はエンドガスとなり、これによりインジェクタの噴射口部分が直接火炎に曝される期間を短縮でき、噴射口部分の温度上昇を抑制することができ、インジェクタの耐久性を向上させることができる。

さらに、インジェクタの噴射口と点火プラグの電極部とを共に燃焼室のボア中心により近づけることができ、熱効率の向上、ノックの抑制、ＨＣの低減、ライナ付着燃料の抑制の効果をさらに高めることができる。

そして、インジェクタの噴射口は点火プラグの電極部よりもさらに上方にレイアウトされることになるので、点火プラグの燃焼室への突き出し量を少なく抑えるようにでき、点火プラグの耐久性を向上させることができる。
また、インジェクタの噴射口は燃焼室空間中心からさらに遠い位置に配設されることになるので、インジェクタの噴射口部分の温度上昇を抑制することができ、インジェクタの耐久性をより一層向上させることができる。
加えて、比較的低温となる吸気側にインジェクタの噴射口をレイアウトすることで、インジェクタの噴射口部分の冷却をさらに促進させることができる。

請求項２の筒内噴射型火花点火式内燃機関によれば、請求項１において、点火プラグの電極部が斜面に配設されることでインジェクタと点火プラグとをある程度の開き角度を有した状態にできるため、燃焼室上壁の内部にインジェクタと点火プラグとの間に位置してスペースを形成できるが、このスペースに冷却水通路を設けることにより、当該スペースを有効に利用しながらインジェクタの冷却を促進することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
まず、第１実施例について説明する。
図１を参照すると、本発明の第１実施例に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の縦断面図が示されており、図２を参照すると、図１の燃焼室を下方から見た平面図が示されている。以下図１、図２に基づき説明する。

図１に示すように、筒内噴射型火花点火式内燃機関（以下、直噴エンジンという）１は、例えば４サイクル５バルブエンジンであり、シリンダブロック２にシリンダヘッド３が載置され、シリンダブロック２内の円筒状のシリンダ４にピストン５が上下摺動自在に嵌挿されている。これより、上記シリンダヘッド３の下面を燃焼室上壁７、上記シリンダ４を燃焼室側壁、上記ピストン５の頂面を燃焼室底面とした燃焼室６が形成されている。

燃焼室上壁７の面はフラットに形成され、図２に示してあるように、当該上壁７には、周縁に沿うようにして、３つの吸気弁１１、１２、１３及び２つの排気弁１４、１５が配設されている。つまり、当該直噴エンジン１の吸・排気弁は５弁構造をなしており、吸気弁１１、１２、１３の弁径がそれぞれ排気弁１４、１５の弁径よりも小径に形成されている。なお、これら吸気弁１１、１２、１３及び排気弁１４、１５は吸気ポート及び排気ポートをポペット弁で開閉するように構成されるが、その構成は公知であり、ここでは説明を省略する。

また、燃焼室上壁７の中央部には、インジェクタ２０の燃料噴射口（以下、噴射口）２１と点火プラグ３０の電極部３１とが、電極部３１の方が噴射口２１よりも相対的に燃焼室６の内方寄り（図２中、下方）に大きく突出するようにレイアウトされている。
図１の符号４０はインジェクタ２０の噴射口２１からコーン状に噴射される燃料噴霧の稜線を示しており、詳しくは、点火プラグ３０の電極部３１とインジェクタ２０の噴射口２１とは、電極部３１が当該燃料噴霧稜線４０中に位置するように配設されている。即ち、当該直噴エンジン１は、燃料噴射の終盤または直後に燃料噴霧に直接点火を行う所謂スプレーガイド方式を採用可能に構成されている。

以下、このように構成された、本第１実施例に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の作用について説明する。
当該直噴エンジン１では、吸気弁１１、１２、１３が開弁して吸気ポートから新気が燃焼室６に入り込むと（吸気行程）、ピストン５が上昇することにより新気が圧縮され、さらにインジェクタ２０から燃料が噴射されるとともに燃料噴射中あるいは燃料噴射直後に点火プラグ３０により点火が行われ（圧縮行程）、これにより燃焼が生起され、ピストン５が押し下げられる（膨張行程）。

この際、吸気弁１１、１２、１３は、一つ一つの径は小さいものの吸入空気量に関しては吸気２弁からなる４弁構造の吸入空気量と同等またはそれ以上となっている。
また、５弁構造を採用しているため、燃焼室上壁７の中央部のスペースが広くなっており、インジェクタ２０の噴射口２１と点火プラグ３０の電極部３１と各吸排気弁１１〜１５間の距離を十分に確保しながら、これらが当該中央部に良好にレイアウトされている。

即ち、当該直噴エンジン１では、４弁構造と比べて出力性能を減少させることなく、耐久信頼性を確保させた状態で、インジェクタ２０の噴射口２１と点火プラグ３０の電極部３１とが共に燃焼室上壁７の中央部という理想的な位置にレイアウトされている。
これにより、火炎伝播が燃焼室６のボア端から略等距離となり、熱効率を向上させ、ノックを抑制し、ＨＣを低減でき、さらに、燃焼室６のボア中心から燃料が噴射されることになるので、ライナ付着燃料を抑制することができる。

また、点火プラグ３０の電極部３１はインジェクタ２０の噴射口２１よりも相対的に燃焼室６内方に配設されているため、インジェクタ２０の噴射口２１周辺はエンドガスとなり、噴射口２１が火炎に直接曝される期間を短縮できるのでインジェクタ２０の噴射口２１の温度、即ちインジェクタ２０の先端温度の上昇を抑制でき、カーボンデポジットによる噴射口２１の詰まり等を良好に防止できる。

また、スプレーガイド方式の採用により、燃費の向上、スモークの抑制をも図ることができる。
また、スプレーガイド方式を採用した場合に、インジェクタ２０からの燃料噴射角を比較的狭角にでき、ライナ付着燃料をさらに抑制することができる。
次に、第２実施例について説明する。

図３を参照すると、本発明の第２実施例に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の縦断面図が示されており、図４を参照すると、図３の燃焼室を下方から見た平面図が示されており、以下図３、図４に基づき説明する。なお、上記第１実施例と同一の部品及び部位については同一の符号を使用し、また、同一の機能については説明を省略する。
当該第２実施例においては、図３に示すように燃焼室上壁７の形状はペントルーフ型をなしている。そして、この場合でも、上記第１実施例同様、インジェクタ２０の噴射口２１と点火プラグ３０の電極部３１とは、共に燃焼室上壁７の中央部に、点火プラグ３０の電極部３１がインジェクタ２０の噴射口２１よりも相対的に燃焼室６内方に位置し且つ燃料噴霧稜線４０中に位置するようにレイアウトされている。

また、本第２実施例ではインジェクタ２０の噴射口２１は燃焼室上壁７の吸気弁１１、１２、１３寄り、即ち吸気側にレイアウトされている。
これにより、本第２実施例においては、上記第１実施例における作用及び効果に加え、インジェクタ２０の噴射口２１周辺が吸気弁１１、１２、１３から流入する新気により比較的低温に維持され、インジェクタ２０の噴射口２１、即ちインジェクタ２０の先端の冷却を促進できる。

次に、第３実施例について説明する。
図５を参照すると、本発明の第３実施例に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の縦断面図が示されており、図６を参照すると、図５の燃焼室を下方から見た平面図が示されており、以下図５、図６に基づき説明する。なお、上記第１実施例または第２実施例と同一の部品及び部位については同一の符号を使用し、また、同一の機能については説明を省略する。

当該第３実施例では、燃焼室上壁７の形状は上記第２実施例と同様にペントルーフ型をなしているが、燃焼室上壁７の中央部に吸気弁１１、１２、１３及び排気弁１４、１５に近接した各辺からなる五角錐状の凹部５０が形成されている。そして、当該凹部５０の底部にインジェクタ２０の噴射口２１が、当該凹部５０の斜面部に点火プラグ３０の電極部３１がレイアウトされている。つまり、インジェクタ２０と点火プラグ３０とがある程度の開き角度を有してシリンダヘッド３にレイアウトされている。

これにより、本第３実施例においては上記第１実施例及び上記第２実施例における作用及び効果に加え、図６から明確であるように、インジェクタ２０の噴射口２１と点火プラグ３０の電極部３１とを共に第１実施例や第２実施例よりも一層燃焼室６のボア中心に近づけるようにでき、インジェクタ２０と点火プラグ３０とをより理想的な位置にレイアウトすることができる。

また、インジェクタ２０は燃焼室６空間の中心から遠ざかった位置に配設され、インジェクタ２０と点火プラグ３０とがある程度の開き角度を有して配設されていることから、インジェクタ２０の噴射口２１周り、特にインジェクタ２０と点火プラグ３０との間では燃焼室上壁７の内部にスペースが生じており、ここでは、スペースの有効利用を図り、当該スペースに冷却水通路６０を形成するようにしている。これにより、インジェクタ２０の噴射口２１周りの冷却効果を促進でき、インジェクタ２０の耐久性をさらに向上させることができる。

また、インジェクタ２０の噴射口２１は点火プラグ３０の電極部３１よりもさらに上方にレイアウトされることになるので、スプレーガイド方式においては、点火プラグ３０の燃焼室６への突き出し量を少なく抑えることができ、点火プラグ３０の耐久性をも向上させることができる。
また、スプレーガイド方式を採用した場合に、インジェクタ２０からの燃料噴射角を十分に狭角にでき、ライナ付着燃料をさらに抑制することができる。

以上で本発明に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られたものではない。
例えば、上記各実施例では燃焼室上壁７の形状をペントルーフ型にしたが、燃焼室上壁７の形状は半球型や多球型等でも構わない。
また、上記各実施例では点火プラグ３０の電極部３１が燃料噴霧稜線４０中に位置するようにしたが、電極部３１を燃料噴霧稜線４０近傍に位置させるようなものであっても構わない。

上記実施例では、ピストン５の頂面形状をフラット型にしたが、凸凹やキャビティ形状を付加したものでも構わない。

本発明の第１実施例に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の縦断面図である。図１の燃焼室を下方から見た平面図である。本発明の第２実施例に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の縦断面図である。図３の燃焼室を下方から見た平面図である。本発明の第３実施例に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の縦断面図である。図５の燃焼室を下方から見た平面図である。

符号の説明

１直噴エンジン（筒内噴射型火花点火式内燃機関）
６燃焼室
７燃焼室上壁
１１、１２、１３吸気弁
１４、１５排気弁
２０インジェクタ
２１燃料噴射口
３０点火プラグ
３１電極部
４０燃料噴霧稜線
５０凹部
６０冷却水通路

Claims

燃焼室に燃料を直接噴射するインジェクタと点火プラグとを備えた筒内噴射型火花点火式内燃機関において、
前記燃焼室の周縁に沿って３つの吸気弁と２つの排気弁とが配設され、中央部に該吸気弁及び排気弁に近接した各辺からなる五角錐状の凹部が形成された前記燃焼室の上壁と、
該凹部の底部且つ前記吸気弁寄りに位置する噴出口を有し、前記燃焼室に対して略直立に配設されたインジェクタと、
前記凹部の斜面部に、前記インジェクタの噴射口よりも相対的に前記燃焼室内方に位置し、且つ前記インジェクタの噴射口から噴射される燃料噴霧中若しくは該燃料噴霧近傍に位置する電極部を有し、前記２つの排気弁の間に配設された点火プラグと、
を備えることを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関。
前記上壁の内部に前記インジェクタの噴射口と前記点火プラグの電極部との間に位置して冷却水通路を設けたことを特徴とする請求項１記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関。