JPH0333422A - 筒内直噴式ガソリンエンジンの成層燃焼方法 - 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、インジェクタにより筒内に直接燃料噴射する
筒内直噴式ガソリンエンジンにおいて、広い運転域で成
層燃焼すると共に、均一燃焼に移行することが可能な成
層燃焼方法に関する。

〔従来の技術〕

オツトーサイクルのガソリンエンジンにおいてインジェ
クタにより燃料を直接筒内に噴射する方式では、燃料噴
射時期と点火時期との関係によりインジェクタによる濃
混合気を、燃料の拡散を抑えて点火プラグ付近に維持す
ることができる。そして点火プラグにより、この濃混合
気に良好に看火することで燃焼し、火炎伝播により燃焼
が進んで成層（層状）燃焼することになる。

従って、かかる筒内直噴による成層燃焼化を２サイクル
エンジンに適用すると、低負荷域で残留ガスの多い状態
でも安定して燃焼できる。給気を絞らずに掃気が良好な
状態のまま、燃料量を少なくすることでも負荷を下げら
れるので、低負荷域でも失火のない安定した燃焼ができ
る。また、４サイクルエンジンでは、インジェクタによ
る燃料噴射量で負荷制御が可能になり、吸気絞り損失が
少なく、空燃比が大幅にリーン化して熱効率、燃費を向
上し得る。このため、広い運転域で成層燃焼化すること
が望まれる。一方、この成層燃焼を高負荷域にまで適用
させると、空気利用率を充分に増すことができず、高出
力が得られないので、均一の燃焼方式に速やかに移行す
ることが必要になる。

このことから、筒内直噴式においては上述の成層燃焼、
および均一燃焼への移行を確実に行うため、インジェク
タの位置、噴流、燃料噴射率１点火プラグの配置、ギャ
ップ位置、更には点火時期に対する噴射時開制御を適正
に定めることが必要不可欠になる。

そこで従来、この種の筒内直噴式ガソリンエンジンに関
しては、以下のような先行技術がある。

第１は“内燃機関”８６年ｖｏ１２５，１０月号の２６
．２７２９、３１頁ニオイテ、ＦＯＲＤ　ＰＲＯＣＯ，
ＴＥＸＡＣＯＴｅＯ２，ＭＡＮ−ＰＭ、ＶＷの各燃焼方
式としてスワールのガス流動を利用してａ混合気を点火
プラグのギャップに導くことが示されている。第２は例
えば特開昭６０−１３２２号公報、特開昭６０−１３２
３号公報、特開昭６１−２３４２２２号公報で、燃焼室
に副室を設け、この副室で燃料噴射および着火して成層
化することが示されている。第３は例えば特開昭６２−
１４７０１２号公報で、ピストン頂部にキャビティによ
り燃焼室をＩＦ、；　ＩＪＳｌ、し、ピストン上死点に
おいて燃焼室内部に燃料噴射して着火することが示され
ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、上記先行技術の第１のものは、スワールのガ
ス流動を利用するが、このガス流動のサイクル変動は、
運転条件により非常に大きいことがレーザ流速計による
計測結果から明らかになっており、このため、すべての
運転条件において常に安定着火することは実際には難し
い。また、高負荷時にもガス流動により燃料が拡散しな
いで成層化傾向になるため、均一燃焼に移行することが
難しく、高出力を達成できない。第２のものは、副室に
より低負荷の成層度は高いが、主燃焼室との間の通路の
絞り損失による燃費等の低下を招く。

また、高負荷では空気利用率が低くて高出力が得られず
、スモークの発生等の不都合があり、２サイクルエンジ
ンでは副室内が掃気不能で適用できない。第３のものは
、高回転では着火遅れを考慮して上死点よりかなり前に
点火する必要があるが、ピストン内に燃焼室が存在する
ため点火、燃料噴射の時期が制限される。また更に、２
サイクルエンジンに適用するとピストンの燃焼室の掃気
が不良になって、安定燃焼が得られない。

従って、サイクル変動の大きいガス流動を利用したり、
副室やピストンの燃焼室を用いて強制的に成層状態を成
形すると、柔軟性に欠けて好ましくない。特に、高負荷
域での高出力化を損う。このことから、インジェクタに
よる燃料の噴霧を適正化し、ａ混合気をあまり強制する
ことなく点火プラグのギャップに導いて成層燃焼させ、
高負荷域では燃料噴射時期、燃料噴射量等により均一化
し易くすることが望まれる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、その目的
とするところは、広い運転域で良好に成層燃焼を行って
燃焼安定性、燃費、熱効率等を向上し、高負荷での均一
燃焼による高出力化を可能にし、２サイクルエンジンに
も適用できる筒内直噴式ガソリンエンジンの成層燃焼方
法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明の筒内直噴式ガソリン
エンジンの成層燃焼方法は、インジェクタとしてシング
ルホールのノズルで高圧１流体式インジェクタによる燃
料噴霧は、燃料噴射率が一定でコーン型噴霧になり、貫
通力は一定化して粒径が微粒化し、空気をまき込みなが
ら進んで着火し易い特性を有し、所定量離れた位置での
着火が可能になる。また、噴霧の自然進行で燃焼開始後
の火炎の伝播、拡散による均一化をスムーズに行い得る
点に着目している。

そこで、シリンダボアの略中心線上で、シリンダヘッド
の燃焼室内にインジェクタと点火プラグのギャップとを
所定の距離だけ離して配設し、上記インジェクタから燃
料噴射されてそのまま進む噴霧が、上記ギャップを通過
する際に着火して燃焼するものである。

〔作　　　用〕

上記成層燃焼方法により、シリンダヘッドの燃焼室でイ
ンジェクタにより点火前に筒内直噴され、この場合に中
、低負荷では、インジェクタからの高圧燃料噴射で微粒
化したコーン型噴霧が生じ、これが点火プラグのギャッ
プを通る際に着火され、その火炎が周囲に伝播して良好
に成層燃焼される。

そしてこの燃料噴霧の直線的進行と、その過程での着火
により種々の影響を受けることなく、安定かつ広い領域
で成層燃焼し、噴霧の拡散状態により高負荷時には、容
易に均一燃焼に移行するようになる。

〔実　施　例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図において、筒内直噴式でシュニーレ式反転掃気の
ガソリンエンジンの成層燃焼方法に適用した場合につい
て述べる。符号ｌはシリンダで、シリンダボア２にピス
トン３が挿入されており、シリンダヘッド４に燃焼室５
が設けられる。燃焼室５は、中心から縦スワール上流側
にオフセットして設けられる円弧状のキヤビテイ５ａを
有し、このキャビティ５ａがテーパ部５ｂを介してスキ
ッシュエリア５ｃに接続した形状を成す。

そこで、上記燃焼室５のキャビティ５ａの中心線上の頂
部にその内部中心に向ってインジェクタＢが取付けられ
、このインジェクタａの下部のテーパ部５ｂに点火プラ
グ７が横に傾いて設置される。

そして点火プラグ７のギャップ７ａが、インジェクタ６
の燃料噴射方向で所定の距離だけ離れ、キャビティ５ａ
の外に略出てスワール流の影響を受けにくいような位置
に設けられる。

インジェクタ６には、燃料供給装置１０の燃料タンク１
５．フィルタ１１．燃料ポンプ１２．およびレギュレー
タ１３を有する燃料通路１４が連通し、レギュレータ１
３で燃圧制御された燃料がインジェクタ６に導かれてい
る。また、制御ユニット２ｏからの燃料噴射量およびタ
イミングの信号がインジェクタ６に人力して燃料噴射制
御し、点火信号が点火プラグ７に人力して着火するよう
になっている。

インジェクタ６は、高圧１流体電磁式でシングルホール
形のノズルのものであり、噴射角度φは約４０〜８０度
の範囲が好ましい。また、噴射圧力に対し粒径１貫通力
の特性が第２図（ａ）のようになり、３０〜１００　ｋ
ｇ／　ｃｔｓ’程度の噴射圧の適正使用範囲ａで貫通力
は一定化し、噴射エネルギが微粒化に費やされて粒径が
小さく、粒径の平均値が略１０μｍである。燃料噴霧Ｆ
の形状は、第２図（ｂ）のようにコーン型であり、外側
Ｆａは粒径が大きくて燃料密度も大きいが、空気とのせ
ん断力により空気をとり込んである距離を進むと微粒化
が進み、着火燃焼に適するようになる。また、内側Ｆｂ
は噴霧が中空状になりやすく小粒径で燃料微粒子密度が
小さくなるので、着火燃焼に適している。この場合の燃
料噴射率（時間当りの燃料噴射量）は、常に所定の一定
値に設定されている。

インジェクタＢとギャップ７ａとの距離は、短いと噴ｉ
１Ｆの噴射速度が高いため空気のまき込み、つまり、噴
霧と空気の混合が不十分となって着火し難く、逆に長い
と噴霧Ｆが過剰に拡散して混合気のリーン化により着火
不良が生じたり、ガス流動等の外乱を受は易く、サイク
ル変動も生じる。

従って、噴ＭＦの状態で噴霧速度が噴霧初速より低下し
た所定噴出速度となる第１の距離１．（例えば１５關）
と、噴霧Ｆの拡散があまり発達しない所定の拡散が得ら
れる第２の距離１２　　（例えば３０１ＩＩＩ）との間
にギャップ７ａが位置するように点火プラグ７が配設さ
れている。

制御ユニット２０は、点火時期の前に燃料噴射時期を定
め、負荷等に応じて燃料噴射パルス幅を増す。また、負
荷に応じて燃料噴射量が増すのに伴い燃料噴射開始時期
を早めるようになっている。

なお、噴射角度φに応じて燃焼室５のテーパ部５ｂを噴
射角度φの点火プラグ７側円錐面Ｃと平行に設定してい
る。従って点火プラグ７の突出量が常に最少になり、点
火プラグ７の耐久性が得られる。

次いで、かかる筒内直噴式ガソリンエンジンの作用を、
第３図ないし第５図を用いて述べる。

先ずエンジン運転時に、インジェクタ６には燃料供給装
置１０のレギュレータ１３で燃圧制御された燃料が常に
導かれており、掃気行程でシリンダ１に空気のみの新気
が給気される。そして圧縮行程で、ピストン３の上昇に
より新気および残留ガスが圧縮され、この行程で先ず制
御ユニット２０からインジェクタ６に燃料噴射信号が出
力して負荷に応じた燃料噴射量の燃料が所定の燃料噴射
時期で筒内に直接噴射さる。その後、点火信号により点
火プラグ７が付勢され、ギャップ７ａで燃料噴射された
ａａ全合気燃料噴霧に着火されて燃焼し、膨張行程に移
行するのである。

そこで低負荷時には、第３図（ｅ）のように燃料噴＃、
ｔｆｆｉが少ないため、燃料噴射開始が点火時期の直前
に設定され、第３図（ａ）のようにインジェクタ６から
少ない燃料の噴霧Ｆがコーン型で噴射され、第３図（ｂ
）のように噴霧Ｆは、空気をまき込み燃料が微粒化され
ると共に、燃料微粒子密度が小さくなりながら進む。こ
のとき２サイクルエンジンでは、縦スワールで噴霧Ｆが
若干点火プラグ７側に流されるが、インジェクタ６の燃
料噴射圧力が高圧で初速が大きいため影響は少ない。そ
して第３図（Ｃ）のように噴霧Ｆが更に真直ぐ進む。

モして噴霧Ｆが点火プラグ７のギャップ７ａにかかる。

この時の噴霧の状態は、噴霧Ｆの速度が噴霧初速より低
下しており、かっ噴霧Ｆの拡散が過剰でなく着火し易い
雰囲気にある。この侍点て、点火プラグ７が付勢される
ことにより着火される。

そこで噴霧Ｆは、確実かつ良好に着火して燃焼開始し、
更に第３図（ｄ）のように点火プラグ７の前方から火炎
が伝播して成層燃焼される。

中負荷時には、第４図（ｂ）のように燃料噴射量の増大
に応じ燃料噴射開始時期が早まり、一定の燃料噴射率に
対し燃料噴射期間が伸びて燃料噴射量が増大する。そし
てこの場合も噴霧Ｆの進行状態は上述と同一であるため
、第４図（ａ）のように噴霧Ｆが点火プラグ７のギャッ
プ７ａにかかった時点で点火し着火される。一方、燃料
噴射時期は低負荷時より早いことで、噴霧Ｆの拡散が大
きくなり、成層燃焼状態ではあるが、燃焼する領域は広
くなる。

高負荷時には、第５図（ｆ’）のように燃料噴射開始時
期が大幅に早くなり、第５図（ａ）ないしくＣ）のよう
に長い燃料噴射期間により多量の噴霧Ｆが噴射され、イ
ンジェクタ６がシリンダボアの略中心にあるためシリン
ダｌ内全体に拡散混合していく。そして第５図（ｄ）の
ように噴霧Ｆは、ピストン３の上昇で更に広がると共に
圧縮されて予混合が進み、第５図（ｅ）のように燃焼室
５の全域で均一の混合気Ｇが生成される。そこでこの時
点で、点火プラグ７のギャップ７ａにより着火されるこ
とで、火炎が四方に伝播して高い新気利用率により均一
燃焼されるのである。

こうして、低負荷から負荷が増大して燃料噴射量が多く
なるのに伴い、噴ｎ＝を時期を大きく進め成層燃焼から
均一燃焼に自動的に移行するようになる。

以上、本発明の実施例について述べたが、４サイクルエ
ンジンの場合は新気を空気のみならず超リーンの空燃比
の混合気にして吸入し、筒内直噴量を全体的に少なく定
めてもよい。

なお、燃料はガソリンのみならず、アルコール等の燃料
および両者の混合燃料にも適用可能である。

〔発明の効果〕 以上述べてきたように、本発明によれば、筒内直噴式ガ
ソリンエンジンのシリンダヘッド側燃焼室にインジェク
タと点火プラグのギャップとが、所定の距離の間で一直
線上に配置され、通過する噴霧に着火して成層燃焼する
方法であるから、ピストン頂部やシリンダ壁からのはね
返り。

ガス流動等を利用しなくてすみ、サイクル変動等の影響
を受けることなく安定かつ広い領域で成層燃焼し得る。

このため、リーン燃焼、高残留ガス中で失火が生じるこ
となく燃焼され、運転性、燃費、エミッションが大幅に
改善される。

さらに、設計の自由度が非常に大きく、どのようなタイ
プのエンジンにも適用し得る。

さらにまた、成層燃焼のための物理的制限がないので均
一燃焼に容易に移行することができ、高出力化が可能に
なる。

また、高圧１流体電磁式のインジェクタの噴霧特性、燃
料噴射の時期１期間により成層燃焼を最適制御でき、イ
ンジェクタからのコーン型噴霧の噴霧速度が低く、かつ
噴霧の拡散が所゛定の拡散となる部分で着火するので常
に良好に着火燃焼し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の筒内直噴式ガソリンエンジンの成層燃
焼方法の実施例を示す構成図、第２図（ａ）はインジェ
クタの特性図、（ｂ）は燃料噴霧を示す図、 第３図（ａ）ないしくｄ）は低負荷時の成層燃焼状態を
示す図、（ｅ）は点火、噴射の時期を示す図、パ第４図
（ａ）は中負荷時の着火時を示す図、（ｂ）は点火、噴
射の時期を示す図、 第５図（ａ）ないしくｅ）は高負荷時の均一燃焼状態を
示す図、（ｒ）は点火、噴射の時期を示す図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリンダボアの略中心線上に、インジェクタと点
   火プラグのギャップとを所定の距離だけ離して配設し、 上記インジェクタから燃料噴射されてそのまま進む噴霧
   が、上記ギャップを通過する際に着火して燃焼すること
   を特徴とする筒内直噴式ガソリンエンジンの成層燃焼方
   法。
2. （２）上記インジェクタは、高圧１流体電磁式で微粒化
   したコーン型噴霧を噴射するものであり、上記インジェ
   クタと点火プラグのギャップとの距離は、中、低負荷時
   に上記噴霧の噴霧速度が比較的低くなる第１の距離と、
   噴霧の拡散が所定の拡散となる第２の距離との間に定め
   る請求項（１）記載の筒内直噴式ガソリンエンジンの成
   層燃焼方法。
3. （３）上記インジェクタは上記燃焼室のキャビティ頂部
   に取付け、 上記燃焼室のインジェクタ下部にテーパ部を、上記点火
   プラグ側のインジェクタから噴射される噴霧面と略平行
   に設け、 上記テーパ部に上記点火プラグを傾けて取付ける請求項
   （１）記載の筒内直噴式ガソリンエンジンの成層燃焼方
   法。