JP4539879B2 - 筒内噴射型火花点火式内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、筒内噴射型火花点火式内燃機関に係り、詳しくは混合気の形成手法に関する。

燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射型火花点火式内燃機関において、インジェクタを燃焼室上壁の中央部に配設するとともに、点火プラグを電極部が燃料噴射領域または燃料噴射領域近傍に位置するよう配設し、インジェクタから噴射された燃料が一部気化した燃料噴霧に直接点火して成層燃焼を行う所謂スプレーガイド方式と呼ばれる技術が知られている。

このようなスプレーガイド方式の成層希薄燃焼では、燃料噴射期間中に点火を行うため、燃料噴射が行われる圧縮行程中に燃焼が開始される。このように燃料噴射中又は直後に燃焼が開始されると、燃料噴霧内に部分的に過濃な混合気が形成され、そこでの燃焼が高温となり、ＮＯｘの発生量が増加する。
さらに、スプレーガイド方式では、燃料噴霧が点火プラグから遠ざかるように進行し、点火プラグによる着火後の火炎は燃料噴霧を追いかけるように伝播して燃焼室内に拡散していくため、燃焼は比較的緩慢なものとなる。このように燃焼が緩慢であると、ＥＧＲガス導入量の許容限界が低くなり、ＮＯｘを低減させるのが困難となる。

さらに、燃焼が緩慢であると、燃料の気化が進行し混合気が過拡散したときに火炎が追いつかず消炎し、未燃ＨＣが発生するという問題もある。
また、特に低負荷時の成層燃焼では、燃料噴射量が少なく、故に噴射期間も短く、スプレーガイド方式では点火できる時期が短い期間に限られる。したがって、低負荷時では安定燃焼領域が狭く、燃焼の安定性に欠けるという問題がある。

そこで、このような筒内噴射型火花点火式内燃機関において、安定した成層燃焼を生起させるため、吸気ポートから流入する吸入空気をピストン頂面に形成したキャビティによりタンブル流として上昇させ、当該タンブル流の上昇する側へ燃料を噴射させる技術が開発されている（特許文献１参照）。
特開平１１−２１０４７２号公報

しかしながら、上記公報に開示された技術の場合、吸入空気により生成されるタンブル流は流動の勢いが比較的弱く、当該タンブル流により燃料噴霧を誘導し成層燃焼を安定させるのは実際には困難である。
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、成層燃焼の安定性を十分に向上させ且つＮＯｘやＨＣの発生を低減することのできる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、本発明の筒内噴射型火花点火式内燃機関では、シリンダヘッド下面、シリンダ及びピストン上面により形成された燃焼室と、前記ピストンの頂面に凹設され、底面が一方の縁部から他方の縁部に向けて下方に傾斜するとともに、該底面の周縁に上方に向けて傾斜した壁面が形成され、該底面に衝突した燃料を該底面形状及び壁面形状に沿って案内しシリンダヘッド側に巻き上げるキャビティと、前記シリンダヘッド下面の前記一方の縁部側に設けられ、前記キャビティ底面に向けて前記燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタと、前記シリンダヘッド下面の前記他方の縁部側に設けられ、電極部が該インジェクタから噴射される燃料噴射領域中若しくは該燃料噴射領域近傍に位置し、前記キャビティに衝突する前の燃料噴射中の燃料噴霧に点火可能な点火時期と、その後に前記キャビティにより案内された燃料噴霧にも点火可能な点火時期からなる点火時期範囲を有する点火プラグとを備え、前記底面の中央部から前記一方の縁部に向けて周囲よりも盛り上がった凸部が形成されていることを特徴としている。

これより、インジェクタから噴射される燃料は、点火プラグの電極部近傍を通り、キャビティ内に進入するが、キャビティの底面の傾斜により点火プラグ側の壁面に案内された後当該壁面に沿って上方に巻き上げられ、再び電極部周辺に集められる。
また、キャビティの底面の中央部からインジェクタの配設側に向けて凸部が設けられており、底面の周縁には傾斜した壁面が形成されているので、燃料噴霧が当該凸部によって底面の周縁に寄せられた状態で壁面に沿い斜め上方に混合気として巻き上げられ、故に混合気の中央部分ひいては点火プラグの電極部近傍の混合気が過濃になるのを抑制でき、電極部のくすぶりを防止することができる。

そして、インジェクタから噴射された燃料が燃料噴射中のみならず燃料噴射後にも気化が進行した混合気として点火プラグの近傍に存在することとなり、故に成層燃焼が成立する点火時期の範囲が大きく拡大するので、低負荷状態で燃料噴射量が少なく燃料噴射期間が短い場合であっても、燃焼の安定性を向上させることができる。
また、燃料噴射中に点火を行うと、火炎は燃料噴霧を追いかけて伝播する一方、燃料噴霧の先端が、キャビティにより巻き上げられ気化が進行した混合気として当該火炎に向かってくるので、燃焼が急峻となり、ＥＧＲガス導入量の許容限界を高くすることができ、大量のＥＧＲガスを導入してＮＯｘを低減させることができる。

また、燃料噴射後キャビティにより巻き上げられ電極部周辺に集められた混合気に点火を行う場合には、上死点付近で燃焼が生起されるので、熱効率が向上して効果的にトルクを発生させることができる。
この場合、好ましくは、前記インジェクタは、前記点火プラグの電極部側及び前記キャビティに燃料を噴射するよう指向しており、さらに該インジェクタは噴射する燃料を前記点火プラグ側に偏倚するよう構成するのがよい。

さらに、前記インジェクタは、噴射した燃料が前記キャビティの形状に沿って案内されて前記点火プラグに供給されるよう構成するのがよい。
これより、インジェクタから噴射される燃料が、点火プラグの電極部の近傍を通りやすくなる上、キャビティにより点火プラグの電極部周辺に案内されやすくなるため、混合気が良好に点火プラグの電極部周辺に案内される。

また、燃料噴射後に混合気が当該火炎に向かってくることに加え、インジェクタから噴射する燃料を点火プラグ側に偏倚させているので、特に低負荷時において、混合気の過拡散を防止して未燃ＨＣの生成を抑制することができる。
そして、前記インジェクタは前記燃焼室を形成する前記シリンダヘッド下面の略中央部に設けられ、前記点火プラグは該燃焼室該シリンダヘッド下面の略中央部に該インジェクタに隣接して設けられているのが好ましい。

また、前記凸部は、該凸部以外の前記底面の凹部分が上面視略Ｕ字形状となるよう形成されているのがよい。
これより、キャビティにより巻き上げられる混合気の形状を最適なものにでき、電極部のくすぶりを防止しつつ成層燃焼の安定性を十分に向上させることができる。
さらに、前記キャビティは、開口面積が前記点火プラグ側に向けて狭くなっているのが好ましい。

これより、燃料がより点火プラグの電極部周辺に案内されやすくなり、混合気をさらに良好に点火プラグの電極部周辺に案内することができる。
また、前記凸部は、前記底面の中央部から前記一方の縁部まで延びて形成されていることが好ましい。
さらには、前記凸部は、前記インジェクタの先端と前記点火プラグの先端を含む平面に沿って延設されていることが好ましい。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１を参照すると本発明に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃焼室の縦断面図が示されており、図２を参照すると図１のＡ−Ａ線に沿う断面図が示されており、図３を参照すると図１のピストンの上面視平面図が示されている。以下、図１乃至３に基づき説明する。

図１に示すように、燃焼室１は、シリンダブロック２に形成されている円筒状のシリンダ４と、当該シリンダ４に上下摺動自在に嵌挿されているピストン６の頂面と、シリンダブロック２に載置されているシリンダヘッド８の下面とに囲まれて形成されている。
燃焼室１の上壁を形成しているシリンダヘッド８の下面は、２つの斜面１０ａ、１０ｂが鈍角をなして向かい合った所謂ペントルーフ形状を呈している。

また、燃焼室１の上壁の中央部分において、一方の斜面１０ａにはインジェクタ１２が設けられており、他方の斜面１０ｂには点火プラグ１４が設けられている。
インジェクタ１２は真下方向よりも若干点火プラグ１４の電極部１４ａ側に燃料を噴射するよう指向して配設されている。また、インジェクタ１２は、当該インジェクタ１２から噴射される燃料が点火プラグ１４側に偏倚するよう構成されている。

点火プラグ１４も真下方向よりも若干インジェクタ１２側に放電するよう指向している。そして、点火プラグ１４は、電極部１４ａがインジェクタ１２から噴射される燃料の噴射領域すなわち燃料噴霧１５中若しくはその近傍に位置するように配設されている。
また、一方の斜面１０ａには、インジェクタ１２の両側に位置して２つの吸気バルブ１６ａ、１６ｂがそれぞれ設けられており、他方の斜面１０ｂには、点火プラグ１４の両側に位置して２つの排気バルブ１８ａ、１８ｂがそれぞれ設けられている。

これら吸気バルブ１６ａ、１６ｂ及び排気バルブ１８ａ、１８ｂは、上下摺動することでそれぞれシリンダヘッド８内に形成された吸気ポート２０及び排気ポート２２と燃焼室１との連通と遮断を行うよう構成されている。
以下、燃焼室１において、インジェクタ１２の先端と点火プラグ１４の先端を含む平面を平面Ｐとし、インジェクタ１２や吸気バルブ１６ａ、１６ｂが設けられている斜面１０ａ側を吸気側、点火プラグ１４や排気バルブ１８ａ、１８ｂが設けられている斜面１０ｂ側を排気側として説明する。

燃焼室１の底面を形成しているピストン６の頂面には、キャビティ３０が形成されている。
当該キャビティ３０は、底面３２と壁面３４から構成された凹形状をなしている。
詳しくは、キャビティ３０の底面３２は、全体として排気側に向かい下方に傾斜している。そして、底面３２には、当該底面３２の中央部から平面Ｐに沿い吸気側の壁面３４まで延びて周囲より盛り上がった凸部３２ａが形成されている。これにより、当該凸部３２ａを囲むようにして凹部３２ｂが形成されており、当該凹部３２ｂは上面視が略Ｕ字形状をなしている。

また、図３に示すように、当該キャビティ３０は、周縁が排気側に行くにつれ平面Ｐに寄っており、即ち開口面積が排気側に行くにつれて狭くなっている。
そして、キャビティ３０の壁面３４は底面３２の周縁から滑らかに上方に傾斜した形状をなしている。
以下このように構成された本発明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。

図４を参照すると本発明に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃料噴射中の燃料噴霧状態が燃焼室の断面図で示されており、図５を参照すると図４のＢ−Ｂ線に沿う断面図が示されており、図６を参照すると本発明に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃料噴射後の燃料の気化が進行した混合気状態が図４同様に断面図で示されており、図７を参照すると図６のＣ−Ｃ線に沿う断面図が示されており、以下図４乃至７に基づき説明する。

図４、５に示すように、ピストン６が圧縮行程後半にあるとき、インジェクタ１２の先端から点火プラグ１４側に偏倚して燃料が噴射される。そして、噴射された燃料は燃料噴霧１５となり点火プラグ１４の電極部１４ａの近傍を通り、ピストン６頂面のキャビティ３０内の主として排気側に進入する。ここに、インジェクタ１２からの燃料噴射により形成される燃料噴霧１５の形状は、中空状であるのが好ましく、例えば中空のコーン状とされるが、これに限られるものではない。

キャビティ３０内に進入した燃料噴霧１５は、キャビティ３０の底面３２が排気側に向かい下方に傾斜し、且つ当該燃料噴霧１５が点火プラグ１４側に偏倚しているため、キャビティ３０の底面３２に衝突すると排気側に良好に案内され気化が進行する。また、燃料噴霧１５は、底面３２に形成された凸部３２ａに衝突すると、当該凸部３２ａの両側または排気側へ分散させられる。

そして、図６、７に示すように、燃料噴霧１５は底面３２の形状に沿い案内され、排気側の壁面３４に向かうとともに壁面３４に沿って上方に案内され、案内に伴って気化が進行し混合気１５ａとしてキャビティ３０内から離脱する。
このようにキャビティ３０内を離脱した混合気１５ａは、点火プラグ１４の電極部１４ａの周りを囲むように巻き上がる。これにより、電極部１４ａの周囲には比較的濃い混合気が存在することになる。

実際には、燃料噴霧１５は、中空状態であるとともに、キャビティ３０の底面３２の凸部３２ａにより両側に分散させられ、底面３２の周縁に寄せられるようにして燃焼室１中に巻き上がるため、形成される混合気１５ａは中央部分では燃料が少なくなっている。これより、電極部１４ａ部分では、混合気１５ａが過濃な状態とならない。
以上のようにインジェクタ１２から燃料が噴射されると、点火時期としては、図４、５に示すような燃焼噴射中の燃料噴霧１５に直接点火を行う所謂スプレーガイド方式と、図６、７に示すようなキャビティ３０から離脱して電極部１４ａ周辺に集まった混合気１５ａに点火する所謂ウォールガイド方式との２つ場合が考えられる。

例えば、スプレーガイド方式では、燃料噴射中の後半に点火を行うようにする。このようにすると、燃料噴霧１５の後端側から火炎が燃料噴霧１５を追いかけるように伝播していく一方、燃焼噴霧１５の先端側はキャビティ３０に案内されて混合気１５ａとなり電極部１４ａ周辺に再度集まってくるので、混合気１５ａが伝播してきた火炎と衝突することとなり、燃焼が急峻なものとなる。

このように、燃焼が急峻となると、ＥＧＲガスの導入量の許容限界が高くなり、大量のＥＧＲガスを導入することでＮＯｘを低減させることができる。
また、混合気１５ａが伝播してきた火炎と衝突することに加え、ここでは燃料噴霧１５を点火プラグ１４側に偏倚させているので、特に低負荷時において混合気の過拡散を防止することができ、未燃ＨＣの生成を抑制することができる。

一方、ウォールガイド方式では、燃料噴射後の電極部１４ａ周辺に集まった混合気１５ａに対して点火を行うようにする。このようにすると、上死点付近で燃焼を生起させることが可能であり、効果的にトルクを発生させることができる。
また、この際、キャビティ３０の底面３２に形成された凸部３２ａの上記作用に基づき、電極部１４ａ部分の混合気１５ａは過濃な状態とならないため、電極部１４ａのくすぶりを回避することが可能である。

また、スプレーガイド方式で着火しない場合や、スプレーガイド方式での着火後，火炎伝播が途中で途絶えた場合であっても、その後ウォールガイド方式で点火し，燃焼を完結させることができる。
つまり、本発明に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関では、点火時期が燃料噴射中だけでなく、燃料噴射後も可能であることから、例えば、スプレーガイド方式とウォールガイド方式の２回点火を行ったり、スプレーガイド方式での失火を検出し、当該失火を検出した場合にウォールガイド方式での点火を行うことが可能である。これにより、上記ＮＯｘの低減や未燃ＨＣの抑制等の各効果に加え、安定燃焼領域を拡大させることができ、例えば内燃機関が低負荷状態で燃料噴射量が少なく燃料噴射期間が短い場合であっても、成層燃焼の安定性を向上させることができる。

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るものではない。
例えば、上記実施形態では、キャビティ３０の凹部３２ｂは上面視略Ｕ字形状であるが、点火プラグ１４側に燃料噴霧１５を向かわせ且つ中央部分で混合気が過濃とならないよう混合気１５ａを分散可能な形状であれば如何なる形状であっても構わない。

また、上記実施形態では、燃焼室１の上壁の形状はペントルーフ形状であるが、これに限られるものではなく、その他の形状の上壁であっても構わない。
また、上記実施形態では、ピストン６の頂面は例えばフラットな形状であるが、これに限られるものではなく、例えば、燃焼室１上壁のペントルーフ形状に合わせ、ピストン６の周縁を円錐状のテーパ面等で構成してもよい。

また、上記実施形態では、インジェクタ１２の両側に吸気バルブ１６ａ、１６ｂが設けられ、点火プラグ１４の両側に排気バルブ１８ａ、１８ｂが設けられた構成としたが、この構成に限られるものではなく、例えば平面Ｐを挟んで一方に吸気バルブ１６ａ、１６ｂを設け、他方に排気バルブ１８ａ、１８ｂを設けても構わない。

本発明に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃焼室の縦断面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図１のピストンの上面視平面図である。 本発明に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃料噴射中の燃料噴霧状態を示す燃焼室の断面図である。 図４のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 本発明に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃料噴射後の燃料の気化が進行した混合気状態を示す燃焼室の断面図である。 図６のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。

１ 燃焼室
４ シリンダ
６ ピストン
８ シリンダヘッド
１２ インジェクタ
１４ 点火プラグ
１４ａ 電極部
１５ 燃料噴霧
３０ キャビティ
３２ 底面
３２ａ 凸部
３２ｂ 凹部
３４ 壁面

Claims (8)

1. シリンダヘッド下面、シリンダ及びピストン上面により形成された燃焼室と、
   前記ピストンの頂面に凹設され、底面が一方の縁部から他方の縁部に向けて下方に傾斜するとともに、該底面の周縁に上方に向けて傾斜した壁面が形成され、該底面に衝突した燃料を該底面形状及び壁面形状に沿って案内しシリンダヘッド側に巻き上げるキャビティと、
   前記シリンダヘッド下面の前記一方の縁部側に設けられ、前記キャビティ底面に向けて前記燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタと、
   前記シリンダヘッド下面の前記他方の縁部側に設けられ、電極部が該インジェクタから噴射される燃料噴射領域中若しくは該燃料噴射領域近傍に位置し、前記キャビティに衝突する前の燃料噴射中の燃料噴霧に点火可能な点火時期と、その後に前記キャビティにより案内された燃料噴霧にも点火可能な点火時期からなる点火時期範囲を有する点火プラグとを備え、
   前記底面の中央部から前記一方の縁部に向けて周囲よりも盛り上がった凸部が形成されていることを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関。
2. 請求項１記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関において、
   前記インジェクタは前記点火プラグの電極部側及び前記キャビティに燃料を噴射するよう指向しており、且つ該インジェクタは噴射する燃料が前記点火プラグ側に偏倚するよう構成されていることを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関。
3. 請求項２記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関において、
   前記インジェクタは、噴射した燃料が前記キャビティの形状に沿って案内されて前記点火プラグに供給されるよう構成されていることを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関。
4. 請求項１乃至３のいずれか記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関において、
   前記インジェクタは前記燃焼室を形成する前記シリンダヘッド下面の略中央部に設けられ、前記点火プラグは前記燃焼室の前記シリンダヘッド下面の略中央部に該インジェクタに隣接して設けられたことを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関。
5. 請求項１記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関において、
   前記凸部は、前記凸部以外の前記底面の凹部分が上面視略Ｕ字形状となるよう形成されていることを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関。
6. 請求項１または５記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関において、
   前記キャビティは、開口面積が前記インジェクタ側から前記点火プラグ側に向けて狭くなっていることを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関。
7. 請求項１乃至６のいずれか記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関において、
   前記凸部は、前記底面の中央部から前記一方の縁部まで延びて形成されていることを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関。
8. 請求項７記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関において、
   前記凸部は、前記インジェクタの先端と前記点火プラグの先端を含む平面に沿って延設されていることを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関。