JP4222204B2 - 筒内直接噴射式内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、筒内直接噴射式内燃機関に関し、特に燃焼室構造に関する。

燃焼室上壁中央部に燃料噴射弁を配置した筒内直接噴射式内燃機関において、ピストン上面に中央深皿部とその周辺の浅皿部とからなる２重構造のキャビティを形成し、燃料噴射時期を変えることにより燃料噴霧がキャビティの深皿部または浅皿部に噴射するようにしたものがあり、成層燃焼および弱成層燃焼を切り換えることが可能となり、広い負荷範囲で燃費の良い燃焼が実現される（特許文献１参照）。
特開２０００−２６５８４１号公報

上記特許文献１には、深皿部・浅皿部は燃焼室の略中央部に位置しているが、点火プラグと各皿部との位置関係など明確な規定はされていない。深皿部を使い成層混合気を形成する場合、深皿部底面に形成された燃料の液膜や底面周辺にリッチな混合気が形成されやすい。深皿部底面の液膜や深皿部上空のリッチな混合気は燃焼によりスモークを発生し、上昇して点火プラグおよびその周辺に付着しデポジットとなる。デポジットの付着した点火プラグは、デポジットが付着した側方電極やネジ部で火花が飛んでしまい、電極での点火が行われにくくなり、失火の原因となる。このような点火くすぶり現象を防止し、安定した成層燃焼を実現するためには、キャビティ形状と点火プラグの位置関係を明確にする必要がある。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、キャビティ形状と点火プラグの位置関係を適切に設定することにより、点火くすぶり現象を防止し、安定した成層燃焼を実現することを目的とする。

このため本発明は、燃焼室内に直接燃料を噴射し点火プラグまわりに成層混合気を生成し成層燃焼を行う筒内直接噴射式内燃機関であって、燃焼室の略中央部に点火プラグと燃料噴射弁を備え、ピストン冠面に外側キャビティと内側キャビティとの二重構造のキャビティを形成すると共に、前記内側キャビティの側壁が上方より見て、点火プラグ先端部で燃焼室内に突き出している部分全体よりも、シリンダ周方向外側に位置する構成とした。そして、内側キャビティ側壁が、点火プラグ付近において他の部分と比較して底面からの高さが低くなる。

このようにすれば、内側キャビティの側壁を点火プラグよりも外に配置することにより、内側キャビティで受け止められた液膜やリッチな混合気が燃焼しても点火プラグへデポジットを形成したりすることがなくなるため、点火プラグのくすぶりを防止し、失火のない安定した成層燃焼が実現できる。側方電極やネジ部など点火ギャップ付近だけでなくその周辺部をも内側キャビティ側面よりも内側に配置することにより、点火プラグ全体のくすぶりを防止し、失火のない安定した成層燃焼が実現できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の実施形態の構成を示すものであり、この内燃機関は、燃焼室１と、該燃焼室１を形成するシリンダヘッド２と、シリンダブロック３と、ピストン４と、吸気ポート５と、排気ポート６と吸気弁７と、排気弁８と、吸気弁用カム９と、排気弁用カム１０と、燃料噴射弁１１と、点火プラグ１２と、エンジンコントロールユニット１３を備える。

燃料噴射弁１１は、燃焼室の略中心部に設置される。本実施形態においては、燃料噴射弁１１は多気筒機関としてのレイアウトの制約上、機関前方側へ傾斜して配置される。燃料噴射弁としてはマルチホール（多噴孔）噴射弁を用いる。また、点火プラグ12は、燃料噴射弁11の反対側の機関後方側へ傾斜して配置される。ピストン４は、噴射弁下方で冠面おおよそ中央に円形で、外側キャビティ４ａと内側キャビティ４ｂの２重構造のキャビティを持つ。外側キャビティ４ａ底面は、ややシリンダ中心から外側へ向かって下方に傾斜を持っている。

図２に、本実施形態の成層高負荷運転条件における噴霧および混合気挙動を示す。
まず、噴霧は外側キャビティ４ａ底面に衝突する（図示Ａ参照）。
その後噴霧は、前記外側キャビティ４ａ底面の傾斜にも案内されて外側キャビティ４ａ側壁側へ導かれ、外側キャビティ４ａ側壁によって上方に誘導される（図示Ｂ参照）。噴霧の貫徹力が強いため、混合気全体がシリンダヘッド２の下面との間の空間で渦をなして旋回する循環流動を持つようになる。この循環流動により周囲の空気を巻き込み、外側キャビティ４ａ上空に生成される混合気は濃度むらの少ない均質な混合気場となる。

その後、圧縮上死点付近において２度目の燃料噴射を内側キャビティ４ｂへ向けて噴射する（図示Ｃ参照）。
この２度目の噴霧は、外側キャビティ４ａへ噴射された燃料と同様、内側キャビティ４ｂ側壁によって誘導され、循環流動を持つ均質な混合気場が形成される（図示Ｄ参照）。
外側キャビティ・内側キャビティ両方の作用により、ピストンキャビティ内全体に均質な成層混合気が生成される（図示Ｅ参照）。

また、図示しないが、運転条件によっては、例えば図３に示した負荷よりわずかに低い負荷においては、外側キャビティ４ａのみに燃料を噴射する場合もある。
一方、成層低負荷運転条件においては、内側キャビティ４ｂのみに燃料を噴射する。この場合は、図３に示した２度噴射のうちの２度目噴射と同様の効果が得られ、内側キャビティ４ｂ上空にのみ成層混合気が生成される。

以上のように、成層運転領域の中でも負荷によってキャビティの大きさを変えることにより混合気塊の大きさを変えることができ、負荷によらず燃費の良い成層燃焼が実現できる。特に、成層高負荷運転条件において、外側に１度、内側に１度、合計２度の噴射を行うことにより、キャビティ内全体にむらのない均質な成層混合気が実現できる。
図３に、上記第１実施形態のピストン形状を示す。レイアウトの困難な直上噴射エンジンを成立させることができるように点火プラグ１２が傾斜して燃焼室１内に突き出して設置されるような場合、点火プラグ１２の中心電極１２ａ、側方電極１２ｂ、およびネジ部１２ｃ内側にいたるまで燃焼室１にさらされているため、筒内のスモークなどによりくすぶりが発生する懸念がある。

これを防止するため、内側キャビティ４ｂの側壁を、点火プラグ１２の燃焼室１にさらされている部分全てよりも、シリンダ周方向外側に設置する（図示Ａ参照）。この場合、内側キャビティ４ｂは上方より見て、燃料噴射弁１１方向から点火プラグ１２方向へ伸びる長円形状となる。また、外側キャビティ４ａの中で内側キャビティ４ｂがほぼ中央に設定される場合、内側キャビティ４ｂの底面から見て内側キャビティ４ｂの側壁高さは周方向で一定となる。特に、点火プラグ１２と同様、レイアウトの困難な直上噴射エンジンを成立させることができるように燃料噴射弁１１が傾斜して配置され、点火プラグ１２方向へ燃料を噴射するような場合、内側キャビティ４ｂ側壁付近で点火プラグ１２の下方においてリッチな混合気がかたまりやすいが、上記のように内側キャビティ４ｂの側壁を、点火プラグ１２の燃焼室１にさらされている部分全てよりも、シリンダ周方向外側に設置していることにより、本発明の効果が得られやすい（図示Ｂ参照）。

また、本実施形態のように、円形状をなす外側キャビティ４ａおよび内側キャビティ４ｂにより、上方の燃料噴射弁１１より噴射された燃料を周方向に均等に受け止め、偏りのない成層混合気を形成することができるようにした上で、内側キャビティ４ｂ形状の点火プラグ１２付近における形状変化を長円形とすることで最小限にすることにより、混合気形成に悪影響なく、かつ点火プラグ１２のくすぶりを防止することができる。

さらに、本実施形態では、内側キャビティ４ｂ側壁が内側キャビティ４ｂ底面から一定高さを持つことにより、燃料噴霧のこぼれを防止し、燃費の悪化やＨＣの増加を十分に防止することができる。
図４は、本発明の第２実施形態のピストン形状を示す。この場合、内側キャビティ４ｂは上方より見て、燃料噴射弁１１側の円形状を基本形状とし、これに点火プラグ１２側に小さい円をつなげた形状とする。このように、内側キャビティ４ｂ形状の変化を小円により形成することにより、第１実施形態と同様、点火プラグ付近における形状変化を最小限にすることができ、混合気形成に悪影響なく、かつ点火プラグ１２のくすぶりを防止することができる。

また、内側キャビティ４ｂの燃料噴射弁１１側の円形状（大きい側）が外側キャビティ４ａと同心に配置される場合、内側キャビティ４ｂの点火プラグ12側の円形状（小さい側）の側壁高さは、他の部分と比較して低くする。このように、点火プラグ12下方の内側キャビティ４ｂ壁高さをやや低くすることで、該壁への燃料付着による壁付近での過濃な混合気塊が発生することを防止し、さらに点火プラグ12のくすぶり防止効果が高まる。また、内側キャビティ４ｂに形状変化がある付近においても外側キャビティ４ａ底面の形状変化をつける必要がなくなり、外側キャビティ４ａによる混合気形成の悪化させたりしない。

本発明の第１実施形態の構成を示す図。 上場実施形態の成層高負荷運転条件における噴霧および混合気挙動を示す図。 第１実施形態のピストン形状を示す図。 第２実施形態のピストン形状を示す図。

符号の説明

１ 燃焼室
４ ピストン
４ａ 外側キャビティ
４ｂ 内側キャビティ
１１ 燃料噴射弁
１２ 点火プラグ
１３ エンジンコントロールユニット

Claims (8)

1. 燃焼室内に直接燃料を噴射し点火プラグまわりに成層混合気を生成し成層燃焼を行う筒内直接噴射式内燃機関であって、燃焼室の略中央部に点火プラグと燃料噴射弁を備え、ピストン冠面に外側キャビティと内側キャビティとの二重構造のキャビティを形成すると共に、前記内側キャビティの側壁が上方より見て、点火プラグ先端部で燃焼室内に突き出している部分全体よりも、シリンダ周方向外側に位置しており、さらに、内側キャビティ側壁が、点火プラグ付近において他の部分と比較して底面からの高さが低くなることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
2. 前記燃料噴射弁が、シリンダ中心軸に対し傾斜して配置されることを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
3. 点火プラグが、シリンダ中心軸に対し傾斜して配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
4. 外側キャビティおよび内側キャビティが、それぞれシリンダ中心軸線と平行な軸を中心におおよそ断面円形状をなし、内側キャビティ側壁が上方から見て点火プラグ付近において点火プラグをさけるような形状となることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
5. 内側キャビティ形状が、上方より見て、大きな円とそれとつながり点火プラグ付近に置かれる小さな円から形成されることを特徴とする請求項４に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
6. 内側キャビティ形状が、上方より見て、点火プラグ方向に伸ばされた長円形状をなすことを特徴とする請求項４に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
7. 成層運転条件のうち、比較的高負荷運転条件においては外側キャビティへ向けて、比較的低負荷運転条件においては内側キャビティへ向けて、燃料噴霧を噴射することを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
8. 成層高負荷運転条件において、圧縮行程に２度の噴射を行い、１度目の噴射を外側キャビティへ向けて、２度目の噴射を内側キャビティへ向けて、燃料噴霧を噴射することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。

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