JPH03105017A - 外部点火による直噴式内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は外部点火による直噴式内燃機関に関する。

〔従来の技術〕

火花点火式２サイクル機関或いは火花点火式４サイクル
機関において空気で占められた燃焼室内の点火栓の周り
に十分に気化された混合気領域を形或し、この混合気領
域を機関負荷が高くなるにつれて拡大させると共に混合
気領域周りの空気領域を減少させ、機関全負荷運転時に
は混合気領域を燃焼室内全体に亘って拡大することがで
きればスロットル弁を用いることなく機関負荷を制御し
うる最も熱効率の高い燃焼を得ることができる。

このような燃焼方法はハイブリッド燃焼方法と称されて
いる。

従来よりスロットル弁を設けることなく燃焼室内に噴射
される燃料の量を制御して機関負荷を制御するようにし
た種々の火花点火式内燃機関が提案されているが十分に
気化された混合気領域を点火栓周りに形或することが困
難であり、従ってこれらの火花点火式内燃機関ではハイ
ブリッド燃焼を行うことができない。

そこでこのようなハイブリッド燃焼を実現するために本
発明者は新規な構造を有する火花点火式内燃機関を既に
提案している（特開昭６３−１２０８１５号公報参照）
。この火花点火式内燃機関ではシリンダヘッド内壁面上
に燃料噴射弁と点火栓を配置し、ピストン頂面上に形或
されたキャビティの中心部に突出部を形或してこの突出
部の頂部に衝突面を形或し、燃料噴射弁からの燃料噴射
開始時期を機関負荷が高くなるにつれて早めると共に燃
料噴射弁から噴射された燃料を衝突面に衝突させ、突出
部周りに形或された濃混合気を着火するために点火栓の
電極をキャビティの内部まで突出せしめている。この火
花点火式内燃機関では機関高負荷運転時には燃料噴射開
始時期が早められるために点火が行なわれるまでに衝突
面に衝突した燃料がキャビティ全体に拡散し、斯くして
混合気領域がキャビティ全体に広がる。一方、機関低負
荷運転時には燃料噴射開始時期が遅くなるために点火が
行われるまでに衝突面に衝突した燃料があまり周囲に拡
散せず、斯くして混合気領域が突出部の周りに形或され
ると共にこの混合気領域の周囲には空気領域が形成され
る。従ってこの火花点火式内燃機関ではハイブリッド燃
焼が行われることになり、斯くして高い熱効率を得るこ
とができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながらこの火花点火式内燃機関では点火栓の電極
をキャビティ内まで長く延ばさなければならず、斯くし
て点火栓の耐久性がよくないという問題がある。第２に
この火花点火式内燃機関ではピストン頂面にキャビティ
を設ける必要があり、従ってこのハイブリッド燃焼方式
を種々の形状の燃焼室に自由に適用できないという問題
がある。

〔課題を解決するための手段〕

上記問題点を解決するために本発明によればシリンダヘ
ッド内壁面上に燃料噴射弁と点火栓を配置し、燃料噴射
弁からの燃料噴射開始時期を機関負荷が高くなるにつれ
て早めると共に燃料噴射弁から噴射された燃料をピスト
ン頂面に衝突させ、少くとも機関低負荷運転時にピスト
ン頂面に衝突して反射する燃料を点火栓に指向せしめる
反射燃料ガイド壁をピストン頂面上に形或している。

〔作　用〕

機関高負荷運転時には燃料噴射開始時期が早められるた
めにピストン頂面に衝突した燃料は点火が行われるまで
に燃焼室内全体に拡散せしめられる。一方、機関低負荷
運転時には燃料噴射開始時期が遅くなるためにピストン
が点火栓に近づいてから燃料が噴射される。この燃料は
ピストン頂面に衝突することによって微料化が促進され
た後に反射燃料ガイド壁によって点火栓に向けて案内さ
れる。従って点火栓の周りには十分気化された混合気領
域が形成され、この混合気領域の周りには空気領域が形
或される。

〔実施例〕

第１図から第３図に本発明をシュニーレ式２サイクル内
燃機関に適用した場合を示す。

第１図から第３図を参照すると、１はシリンダブロック
、２はシリンダブロック１内で往復動可能なピストン、
３はシリンダブロック１上に固締されたシリンダヘッド
、４は平坦なピストン頂面２ａとシリンダヘッド内壁面
３ａ間に形成された燃焼室、５はクランク室（図示せず
）内に連結された一対の掃気孔、６は排気孔、７はシリ
ンダヘッド内壁面３ａ上に配置された点火栓、８はシリ
ンダヘッド内壁面３ａ上に配置された燃料噴射弁を夫々
示す。

掃気孔５が燃焼室４内に開口するとクランク室（図示せ
ず）内で圧縮された新気が掃気孔５から燃焼室４内に流
入する。掃気孔５は排気孔６と反対側のシリンダ内壁面
１ａに指向されているので掃気孔５から燃焼室４内に流
入した新気は矢印Ｆに示すように排気孔６と反対側のシ
リンダ内壁面１ａに向けて流れ、次いでシリンダ内壁面
１ａに沿って上昇する。燃焼室４内の既燃ガスはこの新
気によって排気孔６から排出される。次いで燃料噴射弁
８から燃料が噴射され、この噴射燃料によって形成され
た混合気が点火栓７によって着火せしめられる。

第１図を参照すると点火栓７と燃料噴射弁８はシリンダ
軸線Ｘに関して互いに反対側に配置され、燃料噴射弁８
は排気孔６側に配置される。第１図に示されるように点
火栓７は電極がわずかばかり突出している通常の点火栓
からなる。一方、燃料噴射弁８からは広がり角の小さい
、例えば広がり角が１０゜以下の燃料がピストン頂面２
ａに向けて噴射される。第ｌ図に示されるように燃料噴
射弁８は傾斜配置されており、燃料噴射弁８からの噴射
燃料の軸線Ｙはピストン頂面２ａに近づくに従って排気
孔６から離れるようにシリンダ軸線Ｘに対して斜めに延
びている。

第４図は燃料噴射弁８からの燃料噴射開始時期θと機関
負荷Ｌとの関係を示している。第４図に示されるように
機関低負荷運転時における燃料噴射開始時期は上死点前
（ＢＴＤＣ）　３０度から４０度程度であり、機関高負
荷運転時における燃料噴射開始時期は上死点前（ＢＴＤ
Ｃ）　８０度から１８０度程度である。従って燃料噴射
開始時期は機関負荷が高くなるほど早められることがわ
かる。

燃料噴射弁８からは燃料が例えば４０　ｋｇ　／　ｃｔ
ｌ程度の噴射圧でもって連続液体流の形で噴射される。

このときの噴射燃料の広がり角はほぼｌＯ度以下となる
。このように燃料が連続液体流の形で噴射されるので噴
射燃料の貫徹力が強く、従って噴射燃料は高速度でピス
トン頂面２ａに衝突する。噴射燃料がピストン頂面２ａ
に衝突すると噴射燃料は微粒化してピストン頂面２ａか
ら反射し、急速に気化しながら拡散する。また、燃料噴
射弁８からは燃料が連続液体流の形で噴射されるのでこ
の噴射燃料はピストン頂面２ａに到達するまでの間ほと
んど気化しない。従って噴射燃料の気化或いは霧化は燃
料噴射弁８から噴射された際に行われるのではな《てゼ
ストン頂面２ａへの衝突作用によって行われる。

上述したように燃料噴射弁８からの燃料噴射開始時期は
機関負荷が高くなるにつれて早められる。

従って機関高負荷運転時には第１図に示されるようにピ
ストン２が下方にあるときに燃料噴射弁８から燃料が噴
射され、機関低負荷運転時にはピストン２が上方にある
ときに燃料が噴射される。従ってピストン頂面２ａへの
噴射燃料の衝突位置がピストン２の上昇に伴なって変化
することがわかる。

第３図に示されるようにピストン頂面２ａ上には機関低
負荷運転時に燃料噴射弁８から噴射された燃料が衝突す
る位置に凹溝９が形或される。この凹溝９は第２図に示
すように長円形をなしており、排気孔６側のピストン頂
面周縁部から離れるに従って次第に深くなる。更に、こ
の凹溝９は排気孔６側のピストン頂面周縁部から最も離
れた端部に上方に向けて延びる反射燃料ガイド壁１０を
有する。

機関低負荷運転時には第３図に示されるように燃料噴射
弁８から噴射された燃料は凹溝９の底壁面上に斜めに衝
突せしめられ、その結果燃料の微粒化および気化が促進
される。次いで微料化され気化された燃料は反射燃料ガ
イド壁１０により案内されて上方に向かう。このとき微
粒化され気化された燃料が点火栓７の方に向かうように
反射燃料ガイド壁ｌＯが形或されている。また、このと
きピストン２がかなり上方に位置するので微料化され気
化された燃料は点火栓７の周りに集まり、斯くして第３
図において点火栓７の周りに十分に気化された混合気領
域Ｚが形或される。この混合気領域Ｚの周りはほとんど
空気だけになっている。次いでこの混合気領域Ｚ内の混
合気が点火栓７によって着火せしめられる。混合気領域
Ｚ内の混合気は十分に気化しており、従って容易に着火
燃焼せしめられる。

一方、機関高負荷運転時には第ｌ図に示されるように燃
料噴射弁８から噴射された燃料は凹溝９から離れたピス
トン頂面２ａ上に衝突する。ピストン頂面２ａには衝突
した燃料の反射方向を規制するものが設けられていない
ので噴射燃料は微料化し気化しつつ四方に拡散する。機
関高負荷運転時にはピストン２がかなり下方にあるとき
に噴射が行われるので点火栓７による点火が行われるま
でには時間があり、斯くして点火が行われるまでに燃料
は燃焼室４内の隅々まで拡散することになる。即ち、混
合気が燃焼室４内の全体を占めるようになる。

機関負荷が高くなっても噴射燃料が凹溝９の底壁面に衝
突する限りは凹溝９の上方に混合気領域Ｚが形或され、
機関負荷が高くなるにつれて噴射燃料が衝突してから点
火が行われるまでの時間が長くなるので混合気領域Ｚが
次第に増大する。しかしながら負荷がある程度以上大き
くなると噴射燃料が凹溝９に衝突しなくなるのでこの時
点から混合気領域が燃焼室４内に広がることになる。従
って完全なハイブリッド燃焼は行われないがハイブリッ
ド燃焼に近い燃焼が行われることになる。

第１図に示されるように噴射燃料は排気孔６から離れる
方向へ前進するように噴射されるのでピストン頂面２ａ
に衝突した燃料が排気孔６内に吹き抜けることがない。

また、最も早められたときの噴射開始時期をピストン２
により排気孔６が閉鎖された後にすれば噴射燃料が排気
孔６内に吹き抜けることが全くなくなる。また、凹溝９
の排気孔６側のピストン頂面２ａ上に突条１１を形戊す
ることによってピストン頂面２ａ上に衝突した燃料が排
気孔６内に吹き抜けるのを阻止することができる。また
、このような突条１ｌを設けると第３図に示すように凹
溝９の底壁面に衝突した燃料が反射燃料ガイド壁１０と
反対側に進むのが阻止され、より多くの燃料を反射燃料
ガイド壁１０より上方に向けて案内することができる。

その結果、より一層燃料を点火栓７の周りに集めること
ができる。

また、第ｌ図から第３図に示されるように点火栓７とし
て電極の短かい通常使用されている点火栓を使用するこ
とができ、斯くして点火栓７の耐久性が問題となること
はない。また、ピストン頂面２ａに単に反射燃料ガイド
壁１０を形或するだけでよいのであらゆる形状の燃焼室
４に本発明を適用することができる。

第５図から第７図に本発明をシュニーレ式２サイクル内
燃機関に適用した場合の別の実施例を示す。この実施例
では第６図に示されるように凹溝６が噴射軸線Ｙを含む
垂直平面に対して直角方向に延びており、一方の掃気孔
５側に位置する凹溝９の端部に反射燃料ガイド壁１０が
形或される。この実施例においても凹溝９内に噴射され
た燃料は反射燃料ガイド壁１０に向けて移動し、反射燃
料ガイド壁１０により上方に案内されて点火栓７の周り
に混合気領域Ｚが形戒される。機関負荷が高くなると噴
射燃料の衝突位置が凹溝９内から平坦なピストン頂面２
ａ上に移動し、或る負荷においては噴射燃料は凹溝９の
底壁面と平坦なピストン頂面２ａ間の段差部分、即ち凹
溝９の側壁面９ａに衝突する。従ってこのときには反射
燃料が凹溝９の底壁面の方向に向かうために反射燃料を
燃焼室４内の全体に均一に分散できなく危険性がある。

しかしながら第５図から第７図に示す実施例では凹溝９
の側壁面９ａの高さが低いために凹溝９の底壁面に向か
う反射燃料の量は少なく、斯くして反射燃料を燃焼室４
内に均一に分散させることができる。

第８図から第１２図は本発明を給気弁１２および排気弁
Ｉ３を具えた２サイクル内燃機関に適用した場合を示す
。

この実施例では点火栓７がシリンダヘッド内壁面３ａの
中心部に配置される。更に、この実施例ではピストン頂
面２ａ上に隆起部１４が形或され、この隆起部１４の頂
面上に凹溝９が形或される。この凹溝９は第１１図およ
び第１２図に示されるように反射燃料ガイド壁１０の近
傍における凹溝９の横巾が上方に向けて次第に減少する
ように形或されており、従って反射燃料ガイド壁１０に
沿って上昇する微粒化された燃料流が点火栓７に向けて
集められるようになる。従ってこの実施例では更に点火
栓７の周りに混合気を集めることができる。

第１３図から第１５図は本発明を吸気弁１５および排気
弁１６を具えた４サイクル内燃機関に適用した場合を示
す。

この実施例ではピストン頂面２ａに形成されたキャビテ
ィ１７の底壁面中央部に隆起部１８が形或され、隆起部
１８の頂面に凹溝９が形或される。この実施例では機関
高負荷運転時には第１３図に示されるように燃料はキャ
ビティ１７の周辺部に向けて噴射される。

第ｌ６図から第１８図は本発明をシュニーレ式２サイク
ル内燃機関に適用した場合の更に別の実施例を示す。

この実施例では凹溝９が連続して形或された第１の凹溝
部分９ｂと第２の凹溝部分９Ｃとにより構戊される。第
１６図に示されるように第ｌの凹溝部分９ｂは排気孔６
から最も離れた端邪に上方に延びる第１の反射燃料ガイ
ド壁１０ｂを有し、第２の凹溝部分９Ｃは排気孔６から
最も離れた端部に上方に延びる第２の反射燃料ガイド壁
１０ｃを有する。

第１８図に示されるように第１の凹溝部分９ｂは機関低
負荷運転時に噴射燃料が第１の凹溝部分９ｂに衝突する
ように配置され、従って機関低負荷運転時には第１の反
射燃料ガイド壁１０ｂにより案内された燃料によって点
火栓７の周りに混合気領域Ｚが形或される。

一方、第１７図に示されるように第２の凹溝部分９Ｃは
機関中負荷運転時に噴射燃料が第２の凹溝部分９Ｃに衝
突するように配置され、従って機関中負荷運転時には第
２の反射燃料ガイド壁１０ｃにより案内された燃料によ
って点火栓７の周りに混合気領域Ｚが形或される。機関
中負荷運転時の方が機関低負荷運転時に比べて噴射され
てから点火されるまでの時間が長くなるので点火が行な
われる時点で考えると機関中負荷運転時における混合気
領域Ｚの方が機関低負荷運転時における混合気領域Ｚよ
りも大きくなる。

また、第１６図に示されるように機関高負荷運転時には
噴射燃料が平坦なピストン頂面２ａに衝突し、衝突した
燃料は燃焼室４内全体に拡散される。

このようにこの実施例では機関負荷が高くなるにつれて
点火栓７の周りに形或される混合気領域Ｚが若干不連続
ではあるが次第に拡大し、機関高負荷運転時には混合気
領域Ｚが燃焼室４内全体に広がるのでより一層ハイブリ
ッド燃焼に近づけることができる。

第１９図から第２１図に本発明をシュニーレ式２サイク
ル内燃機関に適用した場合の更に別の実施例を示す。

この実施例ではピストン頂面２上にピストン２と別個の
材料、例えば耐摩耗性の金属材料或いはセラミックから
なる部材１９が嵌着され、この部材■９上に凹溝９が形
或される。更にこの実施例では燃料噴射弁８がシリンダ
軸線Ｘ上に配置され、燃料噴射弁８からはシリンダ軸線
Ｘに沿いかつ凹溝９に向けて燃料が噴射される。従って
この実施例では噴射燃料が常時凹溝９に衝突せしめられ
る。

この実施例では凹溝９に衝突した燃料は反射燃料ガイド
壁ｌＯにより案内されて凹溝９の上方に混合気領域２が
形或される。しかしながら機関負荷が高くなるほど噴射
燃料が凹溝９に衝突してから点火されるまでの時間が長
くなり、従って機関負荷が高くなるほど混合気領域２が
拡大することになるのでより一層ハイブリッド燃焼に近
づけることができる。

このように本発明によればスロットル弁を用いないで噴
射燃料量により負荷を制御する直噴式内燃機関において
ハイブリッド燃焼を実現することができる。従って排気
ガス中の有害或分を大巾に低減しつつ高い熱効率を確保
することができる。

しかもハイブリッド燃焼を実現することによって安定し
たアイドリング運転を確保することができる。

また、噴射燃料としてはガソリン、軽油、灯油はもとよ
りメタノールおよびこれらの混合燃料を使用することが
できる。

〔発明の効果〕

いかなる形状の燃焼室にも適用しろる実用的なハイブリ
ッド燃焼を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はシュニーレ式２サイクル内燃機関の側面断面図
、第２図は第１図の■−■線に沿ってみた断面図、第３
図は低負荷運転時を示す側面断面図、第４図は燃料噴射
開始時期と機関負荷との関係を示す図、第５図はシュニ
ーレ式２サイクル内燃機関の別の実施例の側面断面図、
第６図は第５図のＶＩ−ＶＩ線に沿ってみた断面図、第
７図は第６図の■一■線に沿ってみた断面図、第８図は
２サイクル内燃機関の側面断面図、第９図は第８図のシ
リンダヘッドの底面図、第１０図は低負荷運転時を示す
側面断面図、第１１図は第８図および第１０図の凹溝の
拡大平面図、第１２図は第１１図のＸ■−Ｘ■線に沿っ
てみた断面図、第１３図は４サイクル内燃機関の側面断
面図、第■４図は第１３図のシリンダヘッドの底面図、
第１５図は低負荷運転時を示す側面断面図、第１６図は
シュニーレ式２サイクル内燃機関の更に別の実施例を示
す側面断面図、第１７図は中負荷運転時を示す側面断面
図、第１８図は低負荷運転時を示す側面断面図、第１９
図はシュニーレ式２サイクル内燃機関の更に別の実施例
を示す側面断面図、第２０図は第ｌ９図のｘｘ−ｘｘ線
に沿ってみた断面図、第２ｌ図は低負荷運転時を示す側
面断面図である。 ２・・・ピストン、　　　　７・・・点火栓、８・・・
燃料噴射弁、　　９・・・凹溝、１０・・・反射燃料ガ
イド壁。 第 ３ 図 Ｌ（機関負荷） 第 ４ 図 −９６− ８・・・燃料噴射弁 第５図 づ ｄ 第６図 第 ７ 図 ２ 第 １０ 図 一一 Ｘ■ 弗 １１ 図 集 １２ 図 集 ８ 図 １３ １２ 第 ９ 図 第１３図 １日 １　１４図 第１７図 第１８図 第 １６ 図 第 １９ 図 弟２０図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. シリンダヘッド内壁面上に燃料噴射弁と点火栓を配置し
   、該燃料噴射弁からの燃料噴射開始時期を機関負荷が高
   くなるにつれて早めると共に該燃料噴射弁から噴射され
   た燃料をピストン頂面に衝突させ、少くとも機関低負荷
   運転時にピストン頂面に衝突して反射する燃料を点火栓
   に指向せしめる反射燃料ガイド壁をピストン頂面上に形
   成した外部点火による直噴式内燃機関。