JP4722129B2

JP4722129B2 - 筒内噴射式火花点火内燃機関

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Publication number: JP4722129B2
Application number: JP2007519552A
Authority: JP
Inventors: 剛芦澤; 啓野村; 修冨野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-11-24
Filing date: 2006-11-16
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2026-11-16
Also published as: KR20070088813A; ES2574560T3; CN101107432A; EP1953361A4; JPWO2007061020A1; US20080135016A1; EP1953361A1; CN100552199C; EP1953361B1; US7597085B2; WO2007061020A1; KR100926661B1

Description

本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。

気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を圧縮行程末期の点火時期において着火燃焼させる均質燃焼において、気筒内へ供給された吸気により気筒内にタンブル流を形成し、このタンブル流を圧縮行程末期の点火時期まで持続させることにより、点火時期において気筒内にタンブル流による乱れを存在させ、この乱れによって均質混合気の燃焼速度を高めれば、良好な均質燃焼を実現することができる。

タンブル流を圧縮行程末期の点火時期まで持続させるために、吸気ポート内に吸気流制御弁を配置し、この吸気流制御弁によって吸気を吸気ポート上壁に沿わせて気筒内へ供給することにより、気筒内に強いタンブル流を形成する筒内噴射式火花点火内燃機関が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１８０２４７特開２００４−１９０５４８特開２００２−２２７６５１

前述の筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気流制御弁により吸気を吸気ポート上壁に沿わせて気筒内に供給する時には、吸気流制御弁により吸気ポートが絞られることになる。それにより、必要吸気量が比較的少ない時においては、特に問題なく強いタンブル流を気筒内に形成することができるが、必要吸気量が比較的多くなる時においては、吸気流制御弁により吸気ポートを絞ると吸気不足が発生することがあるために、吸気流制御弁によって強いタンブル流を気筒内に形成することはできない。

均質混合気の空燃比を理論空燃比よりリーンとする均質燃焼においては、必要吸気量が比較的多くなり、この時に、強いタンブル流を気筒内に形成することができないと、燃焼速度が非常に遅くなって所望機関出力を得ることが困難となる。

また、均質混合気の空燃比が理論空燃比又はリッチ空燃比であっても、気筒内の乱れによって燃焼速度を速めることは望ましく、そのための強いタンブル流を吸気流制御弁を設けることなく気筒内に形成することができれば、機関吸気系が複雑化するのを防止することができる。

従って、本発明の目的は、理論空燃比よりリーンな空燃比での均質燃焼が実施される時には、点火時期まで持続するような強いタンブル流を気筒内に形成することができる筒内噴射式火花点火内燃機関を提供することであり、また、吸気流制御弁を必要とせずに強いタンブル流を気筒内に形成することができる筒内噴射式火花点火内燃機関を提供することである。

本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁と、気筒上部に配置された点火プラグとを具備し、シリンダボア内の排気弁側を下降してシリンダボア内の吸気弁側を上昇するように気筒内を旋回するタンブル流を、吸気行程末期において前記燃料噴射弁によりシリンダボアの排気弁側へ向けて噴射された燃料によって強めるために、噴射燃料の大部分が、吸気行程末期の排気弁側シリンダボア壁の下側１／５の部分に向かうようにされていることを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁は部分円弧形状のスリット噴孔を有し、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の水平断面形状は、前記タンブル流の旋回方向に平行な気筒中心垂直面に対して略対称であってシリンダボアの内側方向に湾曲する部分円弧形状であることを特徴とする。

本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記部分円弧形状は半円弧形状であることを特徴とする。

本発明による請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁は折れ線形状のスリット噴孔を有し、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の水平断面形状は、前記タンブル流の旋回方向に平行な気筒中心垂直面に対して略対称であってシリンダボアの内側方向に１８０°より小さな挟角を有する折れ線形状であることを特徴とする。

本発明による請求項５に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁は複数の丸孔噴孔を有し、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の水平断面形状は、前記タンブル流の旋回方向に平行な気筒中心垂直面に対して略対称であってシリンダボアの内側方向に湾曲する部分円弧状に整列された複数の略丸形状であることを特徴とする。

本発明による請求項６に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁は複数の丸孔噴孔を有し、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の水平断面形状は、前記タンブル流の旋回方向に平行な気筒中心垂直面に対して略対称であってシリンダボアの内側方向に１８０°より小さな挟角を有する折れ線状に整列された複数の略丸形状であることを特徴とする。

本発明による請求項７に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁から噴射される燃料は、噴射開始から１ｍｓ後の燃料先端が前記燃料噴射弁の噴孔から６０ｍｍ以上に達する貫徹力を有し、噴射開始から２ｍｓ後において前記燃料噴射弁の噴孔から６０ｍｍの位置でのザウター平均粒径が１５μｍ以下であることを特徴とする。

本発明による請求項８に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項７に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁から噴射される燃料は、噴射開始から１ｍｓ後の燃料先端が前記燃料噴射弁の噴孔から１００ｍｍ以上に達する貫徹力を有し、噴射開始から２ｍｓ後において前記燃料噴射弁の噴孔から１００ｍｍの位置でのザウター平均粒径が９μｍ以下であることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、シリンダボア内の排気弁側を下降してシリンダボア内の吸気弁側を上昇するように気筒内を旋回するタンブル流を、吸気行程末期において気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁によりシリンダボアの排気弁側へ向けて噴射された燃料によって強めるために、噴射燃料の大部分が、吸気行程末期の排気弁側シリンダボア壁の下側１／５の部分に向かうようにされている。気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁によりシリンダボアの排気弁側へ向けて斜め下方向に燃料が噴射されれば、噴射燃料の貫徹力がペントルーフ型シリンダヘッドの排気弁側に沿って斜め下方向に移動するタンブル流を強めると共に、噴射燃料の貫徹力の垂直方向成分がシリンダボアに沿って垂直方向に下降するタンブル流を強める。このように斜め下方向に噴射される燃料の大部分が吸気行程末期の排気弁側シリンダボア壁の下側１／５の部分に向かうようにされれば、シリンダボア壁へ到達するまでの長い距離において噴射燃料はタンブル流を良好に強めることができる。また、噴射燃料は、長い距離の進行によってシリンダボア壁へ到達する直前には気化し、シリンダボア壁へ殆ど付着しない。それにより、エンジンオイルを殆ど希釈させず、また、付着燃料の気化による排気ガス中の未燃燃料の増加も殆ど起こらない。

本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射弁は部分円弧形状のスリット噴孔を有し、燃料噴射弁から噴射される燃料の水平断面形状は、タンブル流の旋回方向に平行な気筒中心垂直面に対して略対称であってシリンダボアの内側方向に湾曲する部分円弧形状とされている。このような断面形状を有する噴射燃料は、その大部分を容易に吸気行程末期の排気弁側シリンダボア壁の下側１／５の部分に向かわせることができ、また、気筒中心垂直面を中心とする所定幅においてタンブル流を良好に強めることができる。

本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、部分円弧形状は半円弧形状とされている。それにより、噴射燃料により幅全体においてタンブル流を良好に強めることができる。

本発明による請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射弁は折れ線形状のスリット噴孔を有し、燃料噴射弁から噴射される燃料の水平断面形状は、タンブル流の旋回方向に平行な気筒中心垂直面に対して略対称であってシリンダボアの内側方向に１８０°より小さな挟角を有する折れ線形状とされている。このような断面形状を有する噴射燃料は、その大部分を容易に吸気行程末期の排気弁側シリンダボア壁の下側１／５の部分に向かわせることができ、また、気筒中心垂直面を中心とする所定幅においてタンブル流を良好に強めることができる。

本発明による請求項５に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射弁は複数の丸孔噴孔を有し、燃料噴射弁から噴射される燃料の水平断面形状は、タンブル流の旋回方向に平行な気筒中心垂直面に対して略対称であってシリンダボアの内側方向に湾曲する部分円弧状に整列された複数の略丸形状とされている。このような断面形状を有する噴射燃料は、その大部分を容易に吸気行程末期の排気弁側シリンダボア壁の下側１／５の部分に向かわせることができ、また、気筒中心垂直面を中心とする所定幅のうちの複数の部分においてタンブル流を良好に強めることができる。

本発明による請求項６に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射弁は複数の丸孔噴孔を有し、燃料噴射弁から噴射される燃料の水平断面形状は、タンブル流の旋回方向に平行な気筒中心垂直面に対して略対称であってシリンダボアの内側方向に１８０°より小さな挟角を有する折れ線状に整列された複数の略丸形状とされている。このような断面形状を有する噴射燃料は、その大部分を容易に吸気行程末期の排気弁側シリンダボア壁の下側１／５の部分に向かわせることができ、また、気筒中心垂直面を中心とする所定幅のうちの複数の部分においてタンブル流を良好に強めることができる。

本発明による請求項７に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射弁から噴射される燃料は、噴射開始から１ｍｓ後の燃料先端が燃料噴射弁の噴孔から６０ｍｍ以上に達する貫徹力を有し、噴射開始から２ｍｓ後において燃料噴射弁の噴孔から６０ｍｍの位置でのザウター平均粒径が１５μｍ以下であるようにされている。それにより、このように微細に分離してタンブル流の押圧面積が増大する強い貫徹力の噴射燃料によって良好にタンブル流を強めることができる。

本発明による請求項８に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項７に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射弁から噴射される燃料は、噴射開始から１ｍｓ後の燃料先端が燃料噴射弁の噴孔から１００ｍｍ以上に達する貫徹力を有し、噴射開始から２ｍｓ後において燃料噴射弁の噴孔から１００ｍｍの位置でのザウター平均粒径が９μｍ以下であるようにされている。それにより、このように微細に分離してタンブル流の押圧面積が増大する強い貫徹力の噴射燃料によってさらに良好にタンブル流を強めることができる。

図１は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図である。図２は図１の筒内噴射式火花点火内燃機関のシリンダヘッドの底面図である。これらの図において、１は気筒上部略中心に配置されて気筒内へ直接的に燃料を噴射するための燃料噴射弁であり、２は燃料噴射弁１の近傍に配置された点火プラグである。３はピストンであり、４は一対の吸気弁であり、５は一対の排気弁である。

本筒内噴射式火花点火内燃機関は、気筒内に理論空燃比よりリーンな均質混合気を形成し、この混合気を点火プラグ２により着火燃焼させる均質燃焼を実施するものである。高出力が必要な高回転高負荷時等においては、理論空燃比又はリッチ空燃比での均質燃焼を実施するようにしても良い。特に、リーン空燃比での均質燃焼は、点火時期において気筒内に乱れを存在させて燃焼速度を速めないと、所望の機関出力が得られない。それにより、吸気行程において気筒内に供給される吸気によってシリンダボア内の排気弁側を下降して吸気弁側を上昇するタンブル流Ｔを気筒内に形成し、このタンブル流Ｔを圧縮行程末期の点火時期まで持続させて点火時期において気筒内に乱れを存在させることが好ましい。

しかしながら、シリンダヘッドを厚くして吸気ポートの形状配置を工夫したり、吸気ポート内に吸気流制御弁を設ける等しない限り、一般的に気筒内に形成されるタンブル流は、それほど強いものではなく、本実施形態のように、ピストン３の頂面にタンブル流の減衰を抑制するための部分円弧断面のキャビティ３ａが形成されていても、それだけでは、圧縮行程中の減衰により点火時期までには容易に消滅し、点火時期においてタンブル流により気筒内に乱れを存在させることはできない。それにより、本実施形態においては、吸気行程において気筒内に形成されたそれほど強くないタンブル流Ｔを、吸気行程末期において燃料噴射弁１によりシリンダボアの排気弁側へ向けて噴射された燃料Ｆの貫徹力を利用して強めるようにしている。こうして強められたタンブル流は、圧縮行程末期の点火時期まで良好に持続して気筒内に乱れを存在させることができる。

点火プラグ２は、シリンダボアの排気弁側へ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁１より吸気弁側に配置されているために、燃料噴射弁１により噴射される燃料が直接的に点火プラグ２に衝突しないようになっている。それにより、点火プラグ２が燃料により濡らされてアークの発生が阻害されるようなことはない。

本実施形態において、燃料噴射弁１は、スリット状の噴孔を有して比較的厚さの薄い略扇形状に燃料を噴射し、燃料噴霧Ｆの厚さ中心平面が、タンブル流Ｔと平行に気筒中心軸線を通る縦平面Ｐとほぼ一致するようにされている。こうして、燃料Ｆは、二つの吸気弁３の間の縦平面Ｐに平行な空間Ｓ内に噴射されることとなり、当初、タンブル流Ｔと共に気筒内を旋回する際に、主に二つの吸気弁３の間の空間Ｓ内を移動して、開弁中の吸気弁３に付着し難くなる。もし、吸気弁３に燃料が付着すると、吸気弁３にデポジットが堆積して、吸気量の減少等をもたらすことがあるが、このような空間Ｓ内への燃料噴射によって吸気弁３へのデポジットの堆積を抑制することができる。

図３は図２の点火プラグ２の拡大図である。同図に示すように、点火プラグ２は、中心電極２ａと、Ｌ字形の板状電極２ｂとを有している。本実施形態においては、板状電極２ｂの幅方向がタンブル流と略平行となるように点火プラグ２が配置されている。それにより、板状電極２ｂの幅方向がタンブル流Ｔに対向する場合（図３の点火プラグ配置に対して左回り又は右回りに９０度回転させた点火プラグ配置の場合）のように、タンブル流が板状電極２ｂに衝突して減衰することは抑制される。

本点火プラグ配置においては、板状電極２ｂの厚さ方向がタンブル流Ｔに対向することとなるが、板状電極２ｂの厚さは薄いためにタンブル流Ｔを殆ど減衰させることはない。もちろん、図３の点火プラグ配置だけでなく、１８０度回転させた点火プラグ配置としても同様な効果を得ることができる。また、点火プラグによっては、互いに対向する二つの板状電極を有する場合があるが、このような場合にも、二つの板状電極の厚さ方向をタンブル流Ｔに対向させ、幅方向をタンブル流と略平行にすることが好ましい。

前述したような点火プラグ２の配置により、点火時期において二つの電極２ａ，２ｂの間に発生するアークは、タンブル流Ｔによってタンブル流の下流方向に容易に伸ばされ、気筒内の均質混合気を着火させ易くなる。この一方で、点火時期における気筒内のタンブル流の強さが強いほどアークは長く伸ばされてアークが途切れ易くなる。それにより、点火時期における気筒内のタンブル流の強さが強いほど、すなわち、吸気行程末期の燃料噴射により強めたタンブル流Ｔの強さが強いほど、点火エネルギを大きくして、アークが伸ばされても途切れないようにすることが好ましい。また、点火時期における気筒内のタンブル流の強さが強いほど、アークを吹き消し易くなり、これを抑制するのにも点火エネルギを大きくすることは有効である。

燃料噴射弁１は、所望空燃比の均質燃焼を実施するために、必要量の燃料を吸気行程末期（例えば、燃料噴射終了クランク角度を吸気下死点近傍とするように燃料噴射量に応じて燃料噴射開始クランク角度を設定するか、又は、燃料噴射量に関係なく吸気行程後半に燃料噴射開始クランク角度を設定する。）に噴射するようになっている。こうして、必要燃料量が多くなるほど、タンブル流Ｔがより強められることとなる。

しかしながら、タンブル流が過剰に強められると、過剰に燃焼速度が速くなるだけではなく、点火エネルギを非常に大きくして、アークが吹き消されないように、また、アークが途切れないようにしなければならなくなるために、必要以上にタンブル流を強めることは好ましくない。それにより、必要燃料量が多い時には、一部の燃料を吸気行程中期又は初期に噴射して（複数回に分けて噴射しても良い）、吸気行程末期に噴射される燃料量を少なく調節し、タンブル流Ｔを過剰に強めないようにタンブル流Ｔを強める程度を制御するようにしても良い。

本実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関は、気筒内へ直接的に噴射する燃料により均質燃焼を実施するものであるために、必要量の燃料を確実に気筒内へ供給することができ、吸気ポートへ燃料を噴射する場合のように吸気ポート壁面への燃料付着等を考慮して必要量以上の燃料を噴射しなくても良くなっている。また、本筒内噴射式火花点火内燃機関は、例えば、機関低負荷時等に圧縮行程後半に燃料を噴射して点火プラグ２近傍にだけ混合気を形成する成層燃焼を実施するようにしても良い。この場合には、ピストン３の頂面に形成したキャビティ３ａを排気弁４側へ偏在させて、このキャビティにより噴射燃料を点火プラグ２の近傍に集合させるようにすれば良い。

本実施形態において、燃料噴射弁１は比較的厚さの薄い略扇形状に燃料を噴射するものとしたが、もちろん、これは本発明を限定するものではない。燃料噴霧の形状は、任意に設定可能であり、例えば、中実又は中空円錐形状、又は、中実柱形状としても良い。また、円弧状スリット噴孔や複数の直線スリット噴孔の組み合わせにより、比較的厚さの薄い円弧状断面又は折れ線状断面の燃料噴霧としても良い。いずれにしても燃料噴霧が比較的大きな貫徹力を有して、気筒内のタンブル流を加速させるようになっていれば良い。また、好ましくは、二つの吸気弁の間の前述した空間内へ燃料が噴射されれば良い。

図４は、図１の実施形態の変形例を示す概略縦断面図である。図１の実施形態との違いのみを以下に説明する。本変形例において、ピストン３’の頂面には、キャビティは形成されておらず、吸気弁側に突起部３ａ’が形成されている。それにより、圧縮比を高めることができる。突起部３ａ’の排気弁側には、ピストン３’の頂面に滑らかに接続された偏向面３ｂ’が形成されている。図４に示す偏向面３ｂ’の断面は、部分円弧形状であるが、直線形状としても良い。このような偏向面３ｂ’によって、シリンダボア内の排気弁側を下降してピストン３’の頂面に沿って進行するタンブル流Ｔは、シリンダボア内の吸気弁側を上昇するように偏向される。それにより、図１の実施形態と同様に、タンブル流Ｔの減衰を抑制してタンブル流を点火時期まで持続し易くすることができる。

図５は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関のもう一つの実施形態を示す概略縦断面図である。図１の実施形態との違いについてのみ以下に説明する。本実施形態においても、気筒内へ直接的に燃料を噴射するための燃料噴射弁１０は気筒上部略中心に配置されており、吸気行程において気筒内に形成されたそれほど強くないタンブル流Ｔを、図５に示すように吸気行程末期において燃料噴射弁１０によりシリンダボアの排気弁側へ向けて噴射された燃料Ｆ’の貫徹力を利用して強めるようにしている。こうして強められたタンブル流は、圧縮行程末期の点火時期まで良好に持続して気筒内に乱れを存在させることができる。

点火プラグ２０は、燃料噴射弁１０より排気弁側に配置され、タンブル流の減衰を抑制するためのキャビティ３０ａはピストン３０の頂面の排気弁側に偏在して形成される。キャビティ３０ａの排気弁側は、フィレット３０ｂによりピストン頂面と滑らかに接続され、タンブル流がキャビティ３０ａ内へ流入する際の減衰を最小限としている。このようなフィレットを、他の実施形態においても、タンブル流が流入するキャビティの排気弁側に形成することが好ましい。

図６は、本実施形態の点火時期における概略断面図である。同図に示すように、点火時期において、キャビティ３０ａの中心軸線ｃ（シリンダボアの中心軸線と平行であるとは限らず、本実施形態においては、シリンダボアの中心軸線に対して傾斜している）近傍に点火プラグ２０の点火ギャップｇが位置するようになっている。それにより、点火プラグ２０の点火ギャップｇにおいて発生させたアークによって、キャビティ３０ａ内の混合気は、中心近傍から燃焼を開始し、この火炎が外周近傍へ放射状に伝播して、最後に外周近傍各部がほぼ同時に燃焼完了するために、燃焼完了までの二次元的な火炎伝播距離を短くして燃焼速度を速くすることができる。

キャビティ３０ａの形状は、タンブル流の減衰を抑制する滑らかな断面形状（例えば、部分円弧断面形状）であれば任意に選択可能であるが、好ましくは、点火時期において、点火プラグ２０の点火ギャップｇを略中心とする略部分球形状とされる。それにより、点火プラグ２０の点火ギャップｇにおいて発生させたアークがキャビティ３０ａ内の混合気へ三次元的な放射状に伝播し、最後にキャビティ３０ａの壁面近傍各部が同時に燃焼完了するために、燃焼完了までの実際に近い三次元的な火炎伝播距離を短くして、さらに燃焼速度を速くすることができる。

図７は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関のさらにもう一つの実施形態を示す点火時期における概略縦断面図であり、図８は図７のＡ−Ａ断面図である。図１の実施形態との違いについてのみ以下に説明する。本実施形態は、図１の実施形態と同様に吸気二弁式であり、この場合において、気筒内には、当初、二つの吸気弁を介して互いに平行な二つのタンブル流が生成される。

図１の実施形態では、これら二つのタンブル流は直ぐに合わさって一つのタンブル流となる。しかしながら、本実施形態では、シリンダボア内の排気弁側を下降してシリンダボア内の吸気弁側を上昇するように気筒内を互いに平行に旋回する二つのタンブル流のそれぞれを、吸気行程末期において、燃料噴射弁１’によりシリンダボアの排気弁側へ向けて二方向に噴射された燃料によって強めると共に、ピストン３１の頂面に部分円弧断面の二つのキャビティ３１ａ及び３１ｂが、それぞれのタンブル流に対応して形成されているために、二つのタンブル流は点火時期まで持続して、それぞれのキャビティ３１ａ及び３１ｂ内及びそれぞれのキャビティ３１ａ及び３１ｂの上方空間内に乱れを存在させることができる。二つのタンブル流を吸気行程末期の燃料噴射により強める際には、図８に一点鎖線で示すように、二つの燃料噴射弁１”を気筒上部周囲の吸気弁と排気弁との間にそれぞれ配置して、各燃料噴射弁１”により吸気行程末期にそれぞれのタンブル流に対応してシリンダボアの排気弁側へ向けて噴射される燃料により、二つのタンブル流のそれぞれを強めるようにしても良い。

本実施形態において、ピストン３１の頂面には、二つのキャビティ３１ａ及び３１ｂの間において隆起部３１ｃが形成され、気筒上部略中心に配置された点火プラグ２の点火ギャップｇは、隆起部３１ｃの頂面３１ｄに対向するようになっている。それにより、隆起部３１ｃによって圧縮比が高められて機関出力を高めることができると共に、気筒内混合気は、点火プラグ２の点火ギャップｇにおいて発生させたアークによって、点火プラグ２と隆起部３１ｃの頂面３１ｄとの間の比較的狭い空間から緩慢な燃焼が開始され、この火炎が隆起部３１ｃの両側のキャビティ３１ａ及び３１ｂ内へと伝播して最後に急速な燃焼となるために、ノッキングを発生し難くすることができる。

図９は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関のさらにもう一つの実施形態を示す点火時期における概略縦断面図であり、図１０は図９のＢ−Ｂ断面図である。図１の実施形態との違いについてのみ以下に説明する。本実施形態は、図１の実施形態と同様に、シリンダボア内の排気弁側を下降してシリンダボア内の吸気弁側を上昇する一つのタンブル流を、吸気行程末期において、燃料噴射弁１によりシリンダボアの排気弁側へ向けて噴射された燃料によって強めると共に、ピストン３２の頂面に形成された部分円弧断面のキャビティ３２ａによってタンブル流の減衰を抑制し、タンブル流を点火時期まで持続させて気筒内に乱れを存在させる。

本実施形態において、ピストン３２の頂面には、キャビティ３２ａの両側に隆起部３２ｂ及び３２ｃが形成されている。また、本実施形態においては、二つの点火プラグ２１及び２２が気筒上部周囲の吸気弁と排気弁との間にそれぞれ配置されており、二つの点火プラグ２１及び２２のそれぞれの点火ギャップｇは、二つの隆起部３２ｂ及び３２ｃのそれぞれの頂面３２ｄ及び３２ｅに対向するようになっている。それにより、二つの隆起部３２ｂ及び３２ｃによって圧縮比が高められて機関出力を高めることができると共に、気筒内混合気は、二つの点火プラグ２１及び２２のそれぞれの点火ギャップｇにおいて発生させたアークによって、各点火プラグ２１及び２２と各隆起部３２ｂ及び３２ｃの頂面３２ｄ及び３２ｅとの間の比較的狭い二つの空間から緩慢な燃焼が同時に開始され、これら二つの火炎が二つの隆起部３２ｂ及び３２ｃの間のキャビティ３２ａ内へ両側から伝播して最後に非常に急速な燃焼となるために、燃焼速度を速めることができると共にノッキングを発生し難くすることができる。

ところで、タンブル流による気筒内の乱れは、リーン空燃比だけでなく、理論空燃比又はリッチ空燃比の均質燃焼においても燃焼速度を速めて燃焼を良好なものとすることができる。そのために、前述のように噴射燃料によりタンブル流を強めれば、吸気流制御弁は必要なく機関吸気系が複雑化することはない。図１１は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関のさらにもう一つの実施形態を示す吸気行程末期の概略縦断面図である。同図において、１００は気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁であり、２は燃料噴射弁１００の吸気弁側近傍において前述の実施形態と同様な向きに配置された点火プラグである。６は一対の吸気弁（図示せず）を介して気筒内へ通じる吸気ポートであり、７は一対の排気弁（図示せず）を介して気筒内へ通じる排気ポートである。３００はピストンである。

図１２は図１１のＤ−Ｄ断面図である。図１１及び１２に示すようにピストン３００の頂面には、シリンダボアの排気弁側に沿って下降して吸気弁側に沿って上昇するように気筒内を縦方向に旋回するタンブル流Ｔの減衰を抑制するために、タンブル流Ｔの旋回方向と平行な各断面において円弧断面形状を有するキャビティ３００ａが形成されている。図１２において、Ｉｃは燃料噴射弁１００の中心位置を示している。

燃料噴射弁１００は部分円弧形状のスリット噴孔を有し、燃料噴射弁１００から吸気行程末期において噴射される燃料ｆの水平断面形状は、図１２に実線で示すように、タンブル流Ｔの旋回方向に平行な気筒中心軸線を通る気筒中心垂直面Ｐに対して略対称であってシリンダボアの内側方向に湾曲する部分円弧形状とされている。図１２の一点鎖線は、図１１のＤ−Ｄ断面より燃料噴射弁側の噴射燃料ｆの水平断面形状を示しており、図１１にも示されているように、噴射燃料ｆは、燃料噴射弁１００から遠くなるほど、厚さが徐々に厚くなる。ここで、水平とは、気筒軸線に対して垂直な方向であり、垂直とは気筒軸線に対して平行な方向である。本実施形態では、部分円弧形状として特に半円弧形状とされている。このような断面形状を有する噴射燃料ｆは、その大部分を容易に排気弁側のシリンダボア壁の特定の高さ位置範囲へ向かわせることができる。

前述の実施形態を含めて、気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁により、シリンダボアの排気弁側へ向けて斜め下方向に噴射される燃料は、貫徹力によりペントルーフ型シリンダヘッドの排気弁側に沿って斜め下方向に移動するタンブル流Ｔを強めることができると共に、貫徹力の垂直方向成分によってシリンダボアに沿って垂直方向に下降するタンブル流を強めることができる。

図１６は、本実施形態の半円弧形状断面を有する噴射燃料の噴射方向を変化させた時の機関出力の変化を示すグラフである。同図において、ａは噴射方向を吸気行程末期の排気弁側シリンダボア壁近傍のピストン頂面へ向けた場合であり、ｂは噴射方向を吸気行程末期の排気弁側シリンダボア壁高さＨの下側１／５の部分へ向けた場合であり、ｃは噴射方向を吸気行程末期の排気弁側シリンダボア壁高さＨの下側１／５の部分を除く下側１／３の部分（すなわち、下側Ｈ／５から下側Ｈ／３までの範囲）へ向けた場合であり、ｄは噴射方向を吸気行程末期の排気弁側シリンダボアの下側１／３の部分を除く下側４．５／１０の部分（すなわち、下側Ｈ／３から下側４．５Ｈ／１０までの範囲）へ向けた場合である。

各噴射方向の噴射燃料の貫徹力は同じであるが、図１６に示すように、各噴射方向において得られる機関出力には差が発生し、噴射方向ｂは最も高い機関出力が得られる。すなわち、噴射方向ｂが最も効率的にタンブル流Ｔを強めると考えられる。噴射燃料により効率的にタンブル流を強めるためには、噴射燃料が気筒内で長い距離を移動して、その間でタンブル流Ｔを強め続けることが好ましい。これに対して、噴射方向ｄでは、噴射燃料は比較的早くシリンダボアへ衝突するために、効率的にタンブル流Ｔを強めることはできない。また、噴射方向ａにおいて、噴射燃料は気筒内で長い距離を移動することができるが、噴射燃料がシリンダボアから離間して部分的にタンブル流Ｔの内側の淀み空間Ｅを又は淀み空間Ｅ近傍を通過するようになるために、効率的にタンブル流Ｔを強めることはできない。

また、図１７は各噴射方向に対するＨＣ排出量の変化を示すグラフである。同図に示すように噴射方向ａ及びｂにおいて、噴射燃料は、気筒内で長い距離を移動することができるために、ピストン頂面又はシリンダボアへ到達する直前には気化して、殆どピストン頂面又はシリンダボアへ付着することはなく、このような付着燃料が膨張行程において気化して未燃ＨＣの排出量を増大させることは殆どない。これに対して、噴射方向ｄにおいて、噴射燃料は、気筒内で比較的短い距離を移動した時点でシリンダボアに到達するために、気化せずにシリンダボアへ付着する燃料が比較的多く、この付着燃料は膨張行程において気化して未燃ＨＣの排出量を増大させる。また、噴射方向ｃにおいても、噴射方向ｄよりは長い距離を移動することができるが、噴射方向ｂに比較して短い距離しか移動することができず、ある程度のシリンダボアへの付着燃料が存在するために、やはり未燃ＨＣの排出量を増大させる。

こうして、図１１に示すように、燃料噴射弁１００から噴射される燃料の大部分が吸気行程末期の排気弁側シリンダボア壁の下側１／５（Ｈ／５）の範囲の帯状部分（シリンダボア壁の下側１／５の円筒帯状部分における燃料噴射弁１００より排気弁側の帯状部分）へ向かうようにされれば、良好にタンブル流Ｔを強めることができると共に、噴射燃料のシリンダボアへの燃料付着も抑制され、エンジンオイルを殆ど希釈させず、また、付着燃料の気化による排気ガス中の未燃燃料の増加も殆ど起こらない。

また、本実施形態では、気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁１００から噴射される燃料の水平断面形状を、気筒中心垂直面Ｐに対して略対称な部分円弧形状としたために、気筒中心垂直面Ｐを中心とする所定幅においてタンブル流Ｔを良好に強めることができる。また、部分円弧形状は半円弧形状とされているために、幅全体においてタンブル流Ｔを良好に強めることができる。

図１３は、図１１及び図１２に示す噴射燃料形状の変形例を示す水平方向断面図である。本変形例において、燃料噴射弁は複数の丸孔噴孔を有し、燃料噴射弁から噴射される燃料の水平断面形状は、図１３に示すように、タンブル流の旋回方向に平行な気筒中心垂直面Ｐに対して略対称な部分円弧状であって、シリンダボアの内側方向に湾曲する部分円弧状に整列された複数の略丸形状とされている。各丸孔噴孔から噴射される燃料ｆは、斜め下方向に向けられた僅かに先広がりの中実円錐形状となるために、水平断面では、この中実円錐形状を斜めに切断することとなり、各略丸形状は、厳密には、燃料噴射弁の中心Ｉｃから放射状に長軸を有する楕円形状となる。

このような噴射燃料によっても、部分円弧形状断面を有する噴射燃料と同様に、その大部分を容易に吸気行程末期の排気弁側シリンダボア壁の下側１／５の部分に向かわせることができ、また、気筒中心垂直面を中心とする所定幅のうちの複数の部分においてタンブル流Ｔを良好に強めることができる。

また、図１４は、もう一つの噴射燃料形状を示す図１２に相当する断面図である。この形状の燃料を噴射する燃料噴射弁は、折れ線形状のスリット噴孔を有し、噴射燃料の水平断面形状は、気筒中心垂直面Ｐに対して略対称であってシリンダボアの内側方向に１８０°より小さな挟角ＴＨを有する折れ線形状とされている。このような断面形状を有する噴射燃料でも、その大部分を容易に吸気行程末期の排気弁側シリンダボア壁の下側１／５の部分に向かわせることができ、また、気筒中心垂直面Ｐを中心とする所定幅においてタンブル流Ｔを良好に強めることができる。

また、図１５は、図１４に示す噴射燃料形状の変形例を示す水平方向断面図である。本変形例において、燃料噴射弁は複数の丸孔噴孔を有し、燃料噴射弁から噴射される燃料の水平断面形状は、図１５に示すように、気筒中心垂直面Ｐに対して略対称な折れ線状であって、シリンダボアの内側方向に１８０°より小さな挟角ＴＨを有する折れ線状に整列された複数の略丸形状（前述同様、厳密には楕円形状）とされている。このような断面形状を有する噴射燃料でも、その大部分を容易に吸気行程末期の排気弁側シリンダボア壁の下側１／５の部分に向かわせることができ、また、気筒中心垂直面を中心とする所定幅のうちの複数の部分においてタンブル流Ｔを良好に強めることができる。

ところで、前述のように、噴射燃料によってタンブル流Ｔを良好に強めるためには、噴射燃料の貫徹力は、強いほど好ましく、また、噴射燃料は、進行中に十分に微粒化してタンブル流Ｔへの押圧面積が増大することが好ましい。タンブル流Ｔを良好に強めるための噴射燃料は、少なくとも、噴射開始から１ｍｓ後の燃料先端が燃料噴射弁の噴孔から６０ｍｍ以上に達する貫徹力とされ、噴射開始から２ｍｓ後において燃料噴射弁の噴孔から６０ｍｍの位置でのザウター平均粒径が１５μｍ以下であるようにすることが好ましい。

また、タンブル流Ｔをさらに良好に強めるための噴射燃料は、噴射開始から１ｍｓ後の燃料先端が燃料噴射弁の噴孔から１００ｍｍ以上に達する貫徹力を有し、噴射開始から２ｍｓ後において燃料噴射弁の噴孔から１００ｍｍの位置でのザウター平均粒径が９μｍ以下であるようにされる。

本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図である。図１のシリンダヘッドの底面図である。図２の点火プラグの拡大図である。図１の実施形態の変形例を示す吸気行程末期における概略断面図である。本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関のもう一つの実施形態を示す吸気行程末期における概略縦断面図である。図５の実施形態の点火時期における概略縦断面図である。本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関のさらにもう一つの実施形態を示す点火時期における概略縦断面図である。図７のＡ−Ａ断面図である。本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関のさらにもう一つの実施形態を示す点火時期における概略縦断面図である。図９のＢ−Ｂ断面図である。本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関のさらにもう一つの実施形態を示す吸気行程末期の概略縦断面図である。図１１のＤ−Ｄ断面図である。図１１及び図１２の噴射燃料形状の変形例を示す図である。図１１のもう一つのＤ−Ｄ断面図である。図１４の噴射燃料形状の変形例を示す図である。燃料噴射方向に対する機関出力の変化を示すグラフである。燃料噴射方向に対するＨＣ排出量の変化を示すグラフである。

１、１’、１０、１００燃料噴射弁
２、２０、２１、２２点火プラグ
３、３’、３０、３１、３２、３００ピストン
３ａ、３０ａ、３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３００ａキャビティ
３ａ’ 突起部
３１ｃ、３２ｂ、３２ｃ隆起部
Ｔタンブル流
Ｆ、Ｆ’、ｆ噴射燃料
ｇ点火ギャップ

Claims

気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁と、気筒上部に配置された点火プラグとを具備し、シリンダボア内の排気弁側を下降してシリンダボア内の吸気弁側を上昇するように気筒内を旋回するタンブル流を、吸気行程末期において前記燃料噴射弁によりシリンダボアの排気弁側へ向けて噴射された燃料によって強めるために、噴射燃料の大部分が、吸気行程末期の排気弁側シリンダボア壁の下側１／５の部分に向かうようにされることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
前記燃料噴射弁は部分円弧形状のスリット噴孔を有し、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の水平断面形状は、前記タンブル流の旋回方向に平行な気筒中心垂直面に対して略対称であってシリンダボアの内側方向に湾曲する部分円弧形状であることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
前記部分円弧形状は半円弧形状であることを特徴とする請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
前記燃料噴射弁は折れ線形状のスリット噴孔を有し、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の水平断面形状は、前記タンブル流の旋回方向に平行な気筒中心垂直面に対して略対称であってシリンダボアの内側方向に１８０°より小さな挟角を有する折れ線形状であることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
前記燃料噴射弁は複数の丸孔噴孔を有し、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の水平断面形状は、前記タンブル流の旋回方向に平行な気筒中心垂直面に対して略対称であってシリンダボアの内側方向に湾曲する部分円弧状に整列された複数の略丸形状であることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
前記燃料噴射弁は複数の丸孔噴孔を有し、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の水平断面形状は、前記タンブル流の旋回方向に平行な気筒中心垂直面に対して略対称であってシリンダボアの内側方向に１８０°より小さな挟角を有する折れ線状に整列された複数の略丸形状であることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
前記燃料噴射弁から噴射される燃料は、噴射開始から１ｍｓ後の燃料先端が前記燃料噴射弁の噴孔から６０ｍｍ以上に達する貫徹力を有し、噴射開始から２ｍｓ後において前記燃料噴射弁の噴孔から６０ｍｍの位置でのザウター平均粒径が１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
前記燃料噴射弁から噴射される燃料は、噴射開始から１ｍｓ後の燃料先端が前記燃料噴射弁の噴孔から１００ｍｍ以上に達する貫徹力を有し、噴射開始から２ｍｓ後において前記燃料噴射弁の噴孔から１００ｍｍの位置でのザウター平均粒径が９μｍ以下であることを特徴とする請求項７に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。