JP4291423B2 - In-cylinder fuel injection internal combustion engine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、筒内噴射式内燃機関にの改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の筒内噴射式内燃機関としては、例えば特開平8−35429号公報に記載されたものがある。これは、広い負荷範囲すなわち燃料噴射量の多寡に関わらず安定した成層燃焼を可能とすることを目的としたもので、ピストン上面に設けたキャビティ(キャビティ部)の形状として点火プラグに近接した壁面を略直線状するとともに、前記直線状壁面の後方にスワールにより燃料及び空気が拡散、混合する空間を構成している。このため、高負荷時すなわち燃料量の多い状態においても点火プラグ付近に過剰の燃料を停滞させることなく、可燃空燃比の混合気を形成できるというものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この筒内噴射式内燃機関のキャビティは、詳細にはスワールに対して上流側から円弧状の第1の壁面区間、直線状の第2の壁面区間、円弧状の第3の壁面区間を連続させた平面形状となっており、また縦断面としては深さ方向の中央付近が最も断面積が大きく、かつ第2の壁面区間はこれと対向する壁面区間よりも高さが大きくなるように形成されている。また、ピストンの上面には吸気ポートに面した傾斜面と排気ポートに面した傾斜面とからなる隆起形状が付与されている。
【0004】
しかしながら、このようなキャビティ形状によると、噴射された燃料噴霧の多くはキャビティ内に保持されるため、ピストンが上死点近傍に到達するまで点火ができず、最適点火時期よりも遅れて十分な出力性能が得られなくなるおそれがある。
【0005】
その一方、上述した各壁面区間はそれぞれピストン上面の隆起形状の頂部よりも排気側に広がる領域を有しているため、噴射された燃料がこれら壁面区間の排気側領域へ比較的拡散しやすくなり、この結果として点火プラグ付近の混合気が薄くなって着火性が悪化するおそれもある。
【0006】
本発明は、このような従来の問題点を解消することを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、対向的に配置された吸気ポートと排気ポートとの間の燃焼室略中央部に点火プラグを位置させるとともに、上面に平面上略円形のキャビティを形成したピストンと、吸気ポート側から前記キャビティに向けて燃料を噴射供給する燃料噴射弁と、シリンダ内にスワールを発生させる手段とを備えた内燃機関において、ピストン上面を、吸気ポートに面した傾斜面と排気ポートに面した傾斜面とからなり、各傾斜面の境界を稜線とする隆起形状とするとともに、前記キャビティの主要部が前記各傾斜面の境界部分に近接して吸気ポート側傾斜面内に開口し、かつ前記スワールの下流域となるキャビティの一部が排気ポート側傾斜面であって、スワールに対して点火プラグをとおり前記稜線と直交する線の上流側となる領域のみに開口するように形成した。
【0008】
請求項2の発明は、上記請求項1の発明において、吸気ポート側傾斜面と排気ポート側傾斜面の境界を燃焼室中央部よりも吸気ポート側に偏った位置に設定した。
【0009】
請求項3の発明は、上記請求項1の発明において、吸気ポート側傾斜面と排気ポート側傾斜面の境界を燃焼室中央部よりも排気ポート側に偏った位置に設定した。
【0010】
請求項4の発明は、上記各発明のキャビティを、その主要部の平面形状が円形であり、かつ排気ポート側傾斜面内に開口する部分が前記円形状から膨出した態様で形成したものとする。
【0011】
請求項5の発明は、上記請求項1から請求項3の発明のキャビティを、その平面形状が、長軸が燃料噴射弁付近からスワール下流方向に沿うように形成した楕円形状とする。
【0012】
請求項6の発明は、上記請求項1から請求項3の発明のキャビティを、その平面形状が、部分的に排気ポート側傾斜面に突出した円形状とする。
【0013】
請求項7の発明は、上記各発明の燃料噴射弁を、その噴霧中心が、排気ポート側傾斜面に形成されたキャビティを指向するように設けたものとする。
【0014】
【作用・効果】
上記各発明において、吸気ポート側に位置する燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧の一部は対向するキャビティ内壁面に衝突する。キャビティの主要部は隆起形状の境界部分に近接して吸気ポート側傾斜面に位置しているため、前記燃料噴霧が衝突する内壁面はピストン上面までの高さが最も高く、かつ燃焼室の中央部に近い。このため、前記キャビティの対向壁面に衝突してキャビティ外へと上昇した燃料噴霧が点火プラグ付近へと集中し、点火プラグの近傍に濃混合気層を形成する。これにより、ピストンが上死点に達するよりも早期に着火可能となるため良好な出力性能が発揮される。
【0015】
一方、燃料噴霧の一部はスワールにより該スワールの下流方向へと輸送されるが、このときキャビティがスワール下流方向について排気ポート側傾斜面に突出した形状となっているため、スワールに対して点火プラグの上流側のキャビティ内に多くの燃料を確保しておくことができ、これにより濃混合気層を維持しつつキャビティ内の吸気流動を活用して良好な燃焼性能が得られる。
【0016】
請求項2の発明によれば、燃焼室内でのキャビティ容量が比較的小となるので、ボア・ストローク比の比較的大きい機関において、キャビティ内での燃料の分散を規制し、層状化を維持して良好な燃費性能を確保することができる。
【0017】
請求項3の発明によれば、燃料噴射弁からキャビティの対向壁面までの距離が大きくなるので燃料気化時間が長期化して未燃HCやスモークが低減する。また、ボア・ストローク比の比較的小さい機関において燃料噴霧を保持しうるだけのキャビティ容量を確保できるという利点もある。
【0018】
請求項4の発明では、キャビティ主要部の平面形状が円形であり、かつ排気ポート側傾斜面内に開口する部分が前記円形状から膨出した態様で形成してあるので、円形形状によりキャビティ内へのスワールの導入及び維持を容易にしつつ、スワール下流域にキャビティ容積を確保して多くの燃料を保持させておくことができ、成層燃焼の改善効果が向上する。
【0019】
請求項5の発明では、キャビティの平面形状を、長軸が燃料噴射弁付近からスワール下流方向に沿うように形成した楕円形状としてあるので、シリンダ内に生じるスワール全体の流れがキャビティ内に導入されやすく、これにより点火プラグ付近への燃料噴霧の集中を促して着火性をより向上させることができる。
【0020】
請求項6の発明では、キャビティの平面形状を、部分的に排気ポート側傾斜面に突出した円形状としてあるので、キャビティ内のスワールが減衰しにくく、それだけ点火プラグ近傍への燃料輸送機会が増大して着火性が良好になるとともに活発な燃焼が得られる。またピストンの加工も容易である。
【0021】
請求項7の発明では、燃料噴射弁を、その噴霧中心が、キャビティの排気ポート側傾斜面への突出部を指向するように設けたものとしたことより、キャビティ主要部に衝突して点火プラグ方向に案内すべき燃料噴霧の割合を調整しつつ噴射燃料の多くを確実にキャビティ内に確保しておくことが可能となる。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のいくつかの実施の形態につき図面に基づいて説明する。
【0023】
図1、図2はこの発明の一実施形態を示している。まず構成を説明すると、1はピストン、2はシリンダ内に直接燃料を噴射する噴射弁、3は点火プラグ、4はシリンダ、5はシリンダヘッド、6はピストン上面に形成されたキャビティを示す。また7は吸気弁、8は排気弁であり本実施形態では吸気弁7、排気弁8はそれぞれ2本づつ備えられた4弁形式である。点火プラグ3は前記吸排気弁間の燃焼室12の略中央部に位置している。9a,9bは吸気ポート、10a,10bは前記各ポート9a,9bに接続された吸気マニホールド、11は一方の吸気マニホールド10bに介装されたスワール発生手段としての吸気制御弁、12は燃焼室、13a,13bは排気ポートを示している。
【0024】
上記吸気制御弁11は予め定められた比較的負荷及び回転数の低い運転域で閉弁保持され、この場合図2で反時計方向のスワールを生起する。
【0025】
ピストン1の上面は、点火プラグ3の直下部分を境界として吸気ポート9a,9b側の傾斜面1Aと排気ポート13a,13b側の傾斜面1Bとからなる隆起形状となっている。
【0026】
キャビティ6は、この場合図2に示したようにその主要部6Aの平面形状は円形であり、該円形の中心はほぼ燃料噴霧の中心線上に位置している。ただし、このキャビティ6はスワール下流域となる一部が排気ポート側傾斜面1B内に膨出して開口する部分(以下「拡張部6B」という。)を有している。
【0027】
成層燃焼時における新気は、吸気行程において、吸気マニホールド10bに設けられた吸気制御弁11が、吸気ポート9bからの新気導入を抑制するため、略直線形状に形成された吸気ポート9aより選択的に流入し、吸気マニホールド10aおよび吸気ポート9aでの流入抵抗が小さな状態で、シリンダ4内に旋回流を発生させる。キャビティ6内のスワールは前記シリンダ内旋回流が、吸気および圧縮行程にかけてキャビティ6内に導入されることにより発生する。また、成層燃焼時における燃料は、圧縮行程においてキャビティ6の底面を指向するように噴射弁2により噴射される。
【0028】
次に作用を説明する。
【0029】
図2に示したように、吸気ポート側に位置する燃料噴射弁2から噴射された燃料噴霧の一部は対向するキャビティ内壁面に衝突する。キャビティ主要部6Aは隆起形状の境界部分(稜線L)に近接して吸気ポート側傾斜面1Aに位置しているため、前記燃料噴霧が衝突する内壁面はピストン上面までの高さが最も高く、かつ燃焼室12の中央部に近い。このため、前記キャビティ対向壁面に衝突してキャビティ外へと上昇した燃料噴霧が点火プラグ3付近へと集中し(図2のF部参照)、点火プラグ3の近傍に濃混合気層を形成する。これにより、ピストン1が上死点に達するよりも早期に着火可能となるため、適切な点火時期を設定して成層燃焼に特有の良好な燃費性能とともに高出力を発揮させることが可能となる。
【0030】
一方、燃料噴霧の一部はスワールにより該スワールの下流方向へと輸送されるが、このときキャビティ6がスワール下流方向について排気ポート側傾斜面1Bに突出した拡張部6Bを有しているため、スワールに対して点火プラグ3の上流側のキャビティ6内に多くの燃料を確保しておくことができ、これにより濃混合気層を維持しつつキャビティ6内の吸気流動を活用して良好な燃焼性能が得られる。
【0031】
図3と図4にそれぞれ本発明の第2、第3の実施の形態を示す。図3は、キャビティ6の平面形状を、長軸が燃料噴射弁2の付近からスワール下流方向に沿うように形成した楕円形状とし、その一部を拡張部6Bとして排気ポート側傾斜面1B内に突出させたもの、図4はキャビティ6の平面形状を、一部を拡張部6Bとして排気ポート側傾斜面1Bに突出させた円形状としたものである。
【0032】
図3の実施形態によれば、燃料噴射弁2の直下からスワール下流方向に沿った楕円形状のキャビティ形状としてあるので、シリンダ内に生じるスワール全体の流れがキャビティ6内に導入されやすく、これにより点火プラグ3付近への燃料噴霧の集中を促して着火性をより向上させることができる。また、図4の実施形態によれば、キャビティ6の平面形状を、部分的に排気ポート側傾斜面1Bに突出した円形状としてあるので、キャビティ内のスワールが減衰しにくく、それだけ点火プラグ3近傍への燃料輸送機会が増大して着火性が良好になるとともに活発な燃焼が得られる。またピストン1の加工が容易であるという利点もある。
【0033】
図5〜図7は本発明の第4〜第6の実施形態を示しており、それぞれキャビティ6の形状としては、図5は図2のものに、図6は図3のものに、図7は図4の物に、それぞれ対応している。ただし、これらの実施形態は、ピストン上面の稜線Lつまり吸気ポート側傾斜面1Aと排気ポート側傾斜面1Bの境界を燃焼室12中央部よりも吸気ポート9側に偏った位置に設定してある点で先の実施形態とは異なる。
【0034】
これらの実施形態によれば、燃焼室12内でのキャビティ6の容量が比較的小となるので、ボア・ストローク比の比較的大きい機関において、キャビティ6内での燃料の分散を規制し、混合気の層状化を維持して良好な燃費性能を確保することができる。
【0035】
図8〜図10は本発明の第7〜第9の実施形態を示しており、それぞれキャビティ6の形状としては、図8は図2のものに、図9は図3のものに、図10は図4の物に、それぞれ対応している。ただし、これらの実施形態は、ピストン上面の稜線Lを燃焼室12中央部よりも排気ポート13側に偏った位置に設定してある点で先の実施例とは異なる。
【0036】
これらの実施形態によれば、燃料噴射弁2からキャビティ6の対向壁面までの距離が大きくなるので噴射されてからキャビティ壁面に衝突するまでの燃料気化時間が長期化して未燃HCやスモークがそれだけ低減する効果が期待できる。また、ボア・ストローク比の比較的小さい機関において燃料噴霧を保持しうるだけのキャビティ容量を確保できるという利点もある。
【0037】
ところで、上記各実施形態において、その燃料噴射弁2の向きを、噴霧中心がキャビティ拡張部6Bを指向するよう設定することができる。これにより、キャビティ主要部6Aの壁面に衝突して点火プラグ3方向に案内すべき燃料噴霧の割合を調整しつつ噴射燃料の多くを確実にキャビティ6内に確保して層状燃焼の効果を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による筒内噴射式機関の第1の実施形態を示す概略縦断面図。
【図2】 第1の実施形態のピストンの平面図。
【図3】 本発明の第2の実施形態のピストンの平面図。
【図4】 本発明の第3の実施形態のピストンの平面図。
【図5】 本発明の第4の実施形態のピストンの平面図。
【図6】 本発明の第5の実施形態のピストンの平面図。
【図7】 本発明の第6の実施形態のピストンの平面図。
【図8】 本発明の第7の実施形態のピストンの平面図。
【図9】 本発明の第8の実施形態のピストンの平面図。
【図10】 本発明の第9の実施形態のピストンの平面図。
【符号の説明】
1 ピストン
1A 吸気ポート側傾斜面
1B 排気ポート側傾斜面
2 燃料噴射弁
3 点火プラグ
4 シリンダ
5 シリンダヘッド
6 キャビティ
6A キャビティ主要部
6B キャビティ拡張部
7 吸気バルブ
8 排気バルブ
9a,9b 吸気ポート
10a,10b 吸気マニホールド
11 吸気制御弁
12 燃焼室
13a,13b 排気ポート
L 傾斜面の境界(稜線)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement in a direct injection internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
As a conventional in-cylinder injection internal combustion engine, for example, there is one described in JP-A-8-35429. The purpose of this is to enable stable stratified combustion regardless of the large load range, that is, the amount of fuel injection. The shape of the cavity (cavity part) provided on the upper surface of the piston is a wall surface close to the spark plug. And a space in which fuel and air are diffused and mixed by a swirl behind the straight wall surface. For this reason, even at a high load, that is, in a state where the amount of fuel is large, a combustible air-fuel ratio mixture can be formed without causing excess fuel to stagnate near the spark plug.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in detail, the cavity of this direct injection internal combustion engine includes an arc-shaped first wall surface section, a linear second wall section, and an arc-shaped third wall section from the upstream side with respect to the swirl. It has a continuous planar shape, and the longitudinal section has the largest cross-sectional area near the center in the depth direction, and the second wall section is higher than the wall section facing it. Is formed. Further, the upper surface of the piston is provided with a raised shape composed of an inclined surface facing the intake port and an inclined surface facing the exhaust port.
[0004]
However, according to such a cavity shape, since most of the injected fuel spray is held in the cavity, ignition cannot be performed until the piston reaches the vicinity of the top dead center, which is sufficient after the optimal ignition timing. The output performance may not be obtained.
[0005]
On the other hand, each of the wall sections described above has a region that extends to the exhaust side from the top of the raised shape on the upper surface of the piston, so that the injected fuel is relatively easily diffused to the exhaust side region of these wall sections. As a result, the air-fuel mixture in the vicinity of the spark plug may become thin and the ignitability may be deteriorated.
[0006]
The object of the present invention is to eliminate such conventional problems.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, there is provided a piston having an ignition plug positioned substantially in the center of the combustion chamber between the intake port and the exhaust port which are arranged opposite to each other, and a substantially circular cavity on the upper surface formed on the upper surface. In an internal combustion engine having a fuel injection valve that injects fuel from the port side toward the cavity and means for generating a swirl in the cylinder, the upper surface of the piston faces the inclined surface facing the intake port and the exhaust port was made as an inclined surface, with a raised shape to the ridge line of the boundary of the inclined surfaces, in major part of the cavity is close to the boundary portion of each inclined surface opened to the intake port side inclined plane, And a part of the cavity which becomes the downstream region of the swirl is an exhaust port side inclined surface, and only the region which is upstream of the line perpendicular to the ridge line passing through the spark plug with respect to the swirl It was formed so as to open.
[0008]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the boundary between the intake port side inclined surface and the exhaust port side inclined surface is set at a position biased toward the intake port side from the center of the combustion chamber.
[0009]
According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the boundary between the intake port side inclined surface and the exhaust port side inclined surface is set at a position biased toward the exhaust port side from the center of the combustion chamber.
[0010]
According to a fourth aspect of the present invention, the cavity of each of the above inventions is formed in such a manner that the planar shape of the main part is circular and the portion opened in the inclined surface on the exhaust port side bulges from the circular shape. To do.
[0011]
According to a fifth aspect of the present invention, the cavity of the first to third aspects of the present invention has an elliptical shape in which the long axis is formed so that the major axis is along the swirl downstream direction from the vicinity of the fuel injection valve.
[0012]
According to a sixth aspect of the invention, the cavity of the first to third aspects of the invention has a circular shape in which the planar shape partially protrudes from the inclined surface on the exhaust port side.
[0013]
In the invention of
[0014]
[Action / Effect]
In each of the above inventions, part of the fuel spray injected from the fuel injection valve located on the intake port side collides with the opposing cavity inner wall surface. Since the main part of the cavity is located on the inclined surface on the intake port side close to the boundary portion of the raised shape, the inner wall surface on which the fuel spray collides is the highest to the upper surface of the piston, and the center of the combustion chamber Close to the department. For this reason, the fuel spray that collides with the opposing wall surface of the cavity and rises out of the cavity concentrates in the vicinity of the spark plug and forms a rich mixture layer in the vicinity of the spark plug. Thereby, since the piston can be ignited at an earlier stage than reaching the top dead center, good output performance is exhibited.
[0015]
On the other hand, a part of the fuel spray is transported by the swirl in the downstream direction of the swirl. At this time, the cavity protrudes from the inclined surface on the exhaust port side in the swirl downstream direction, so that the swirl is ignited. A large amount of fuel can be secured in the cavity on the upstream side of the plug, and thereby, good combustion performance can be obtained by utilizing the intake air flow in the cavity while maintaining the rich mixture layer.
[0016]
According to the invention of
[0017]
According to the invention of
[0018]
In the invention of claim 4, the planar shape of the cavity main part is circular, and the portion opened in the inclined surface on the exhaust port side is formed in a form bulging from the circular shape. While the swirl can be easily introduced and maintained, a cavity volume can be secured in the downstream area of the swirl to hold a large amount of fuel, thereby improving the effect of improving the stratified combustion.
[0019]
In the fifth aspect of the invention, the planar shape of the cavity is an elliptical shape with the long axis extending from the vicinity of the fuel injection valve to the swirl downstream direction, so that the entire swirl flow generated in the cylinder is introduced into the cavity. This facilitates the concentration of the fuel spray near the spark plug, thereby improving the ignitability.
[0020]
In the invention of
[0021]
According to the seventh aspect of the invention, the fuel injection valve is provided so that the spray center thereof is directed to the protruding portion toward the exhaust port side inclined surface of the cavity. It is possible to ensure that most of the injected fuel is secured in the cavity while adjusting the ratio of the fuel spray to be guided in the direction.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0023]
1 and 2 show an embodiment of the present invention. First, the structure will be described. 1 is a piston, 2 is an injection valve for directly injecting fuel into the cylinder, 3 is a spark plug, 4 is a cylinder, 5 is a cylinder head, and 6 is a cavity formed on the upper surface of the piston.
[0024]
The intake control valve 11 is held closed in a predetermined operating range with a relatively low load and rotation speed, and in this case, a swirl in the counterclockwise direction is generated in FIG.
[0025]
The upper surface of the
[0026]
In this case, as shown in FIG. 2, the
[0027]
The fresh air during the stratified combustion is selected from the intake port 9a formed in a substantially linear shape so that the intake control valve 11 provided in the intake manifold 10b suppresses the introduction of fresh air from the intake port 9b during the intake stroke. Inflow, and a swirling flow is generated in the cylinder 4 with a small inflow resistance at the
[0028]
Next, the operation will be described.
[0029]
As shown in FIG. 2, a part of the fuel spray injected from the
[0030]
On the other hand, a part of the fuel spray is transported by the swirl in the downstream direction of the swirl. At this time, since the
[0031]
3 and 4 show the second and third embodiments of the present invention, respectively. 3 shows that the
[0032]
According to the embodiment of FIG. 3, since the cavity shape is elliptical along the downstream direction of the swirl from directly below the
[0033]
5 to 7 show the fourth to sixth embodiments of the present invention. The shape of the
[0034]
According to these embodiments, since the capacity of the
[0035]
FIGS. 8 to 10 show the seventh to ninth embodiments of the present invention. The shape of the
[0036]
According to these embodiments, since the distance from the
[0037]
By the way, in each said embodiment, the direction of the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view showing a first embodiment of an in-cylinder injection engine according to the present invention.
FIG. 2 is a plan view of the piston according to the first embodiment.
FIG. 3 is a plan view of a piston according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a plan view of a piston according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a plan view of a piston according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a plan view of a piston according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a plan view of a piston according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a plan view of a piston according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a plan view of a piston according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a plan view of a piston according to a ninth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (7)
ピストン上面を、吸気ポートに面した傾斜面と排気ポートに面した傾斜面とからなり、各傾斜面の境界を稜線とする隆起形状とするとともに、
前記キャビティの主要部が前記各傾斜面の境界部分に近接して吸気ポート側傾斜面内に開口し、かつ前記スワールの下流域となるキャビティの一部が排気ポート側傾斜面であって、スワールに対して点火プラグをとおり前記稜線と直交する線の上流側となる領域のみに開口するように形成したことを特徴とする筒内燃料噴射式内燃機関。A spark plug is positioned in the substantially central portion of the combustion chamber between the intake port and the exhaust port that are arranged opposite to each other, and a piston having a substantially circular cavity on the top surface is formed on the upper surface, and the cavity is directed from the intake port side toward the cavity. In an internal combustion engine comprising a fuel injection valve for injecting fuel and means for generating a swirl in the cylinder,
The upper surface of the piston is composed of an inclined surface facing the intake port and an inclined surface facing the exhaust port, and has a raised shape with the boundary of each inclined surface as a ridgeline ,
The major portion of the cavity is close to the boundary portion of each inclined surface opened to the intake port side inclined plane, and a portion of the cavity as the lower reaches of the swirl is an exhaust port side inclined surface, An in-cylinder fuel injection type internal combustion engine characterized in that it is formed so as to open only in a region upstream of a line perpendicular to the ridge line through a spark plug with respect to a swirl .
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