JPH0412164A - 直接噴射式エンジン - 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〕 この発明は、燃料噴射ノズルから噴射される燃料を燃焼
室内に直接噴射する直接噴射式エンジンに関する。

〔従来の技術〕

従来、エンジンの燃焼室としては、直接噴射式及び副室
式によって代表されている。

直接噴射式燃焼室は、燃料噴射ノズルより噴射された燃
料の噴射エネルギー及び燃焼室内に形成されるスワール
及びスキッシュ流によって燃料と空気との混合を達成し
、可燃性混合気を形成している。しかしながら、該直接
噴射式燃焼室は、スワール生成のため、吸気効率が低下
するという問題を存しており、また、燃料の噴霧微粒化
及び貫徹力をアップさせるため、燃料噴射ノズルを高圧
化、高噴射率化に構成しなければならず、構造が複雑に
なるという問題を有している。

また、副室式燃焼室は、副室内に形成される高スワール
によって燃料油滴と空気との混合を達成し、可燃性混合
気を形成している。該副室式燃焼室は、副室内に高スワ
ールを形成し、また主室と副室との総和の伝熱面積が増
大して熱損失が増加するという問題があり、更に、主室
と副室とを連通ずる連絡孔による絞り損失が増加すると
いう問題を有している。

そこで、上記問題点を解決するために、燃料の衝突噴流
を利用した直接噴射式衝突拡散層状給気式、いわゆる、
０３ＫＡ式の燃焼室を持つエンジンが開示されている。

この０３ＫＡ式エンジンは、ピストンに形成した凹部即
ちキャビティの底部中央から突出する衝突部を設け、該
衝突部の周囲に凹状の燃焼室を形成し、燃料噴射ノズル
から噴射された液状燃料を衝突部に衝突させ、燃料噴流
の衝突部への衝突作用によって衝突面を起点として燃料
の拡散、微粒化等を達成し、燃料と空気との良好な混合
を達成させるものである。上記のような燃焼室を有する
エンジンでは、燃料噴射ノズルの単孔ノズルから噴射さ
れた燃料をピストンヘッドの衝突部の平らな衝突面に衝
突させて円盤状に拡散させ、次いでピストンの上昇によ
って生じるスキッシュ流によって燃料をキャビティの下
方に押し込められながら、該燃料と空気とを混合して混
合気を形成するものである。

また、特開昭６１−１２０８１５号公報には、外部点火
による燃料噴射式内燃機関が開示されている。該外部点
火による燃料噴射式内燃機関は、ピストン頂面にキャビ
ティを形成すると共に、該キャビティ内壁面上に突出部
を設け、該突出部上に断熱構造の衝突面を形成し、シリ
ンダヘッドに設けた燃料噴射弁から大部分の燃料を衝突
面に向けて噴射させ、他の領域よりも濃い混合気領域を
上記突出部層りに形成し、点火装置をこの濃い混合気領
域内に位置するようにシリンダヘッドに取付け、該点火
装置で点火時に混合気に点火するものである。該燃料噴
射式内燃機関は、上記の構成によってノンキングが発生
しないことによって高圧縮比を可能にし、熱効率を向上
させて燃料消費率を向上させたものである。

また、特開昭６２−１３９９２１号公報には、燃料衝突
反射拡散燃焼方式の内燃機関が開示されている。該内燃
機関は、ノズルより燃料噴流をピストン面又はキャビテ
ィ内に噴射衝突させ、衝突面での反射拡散作用によって
衝突部を起点としてキャビティ全域に燃料の拡散分布と
混合を計り、スワールに依存するよりもスキンシュ流に
よって空気利用率を高め、燃焼期間の短縮を図るもので
あり、衝突部をセラミック材等の耐熱性、耐摩耗性材料
で形成し、該衝突部をピストン頂面又はキャビティ内に
装着したものである。

また、特開昭６３−１７１０号公報に開示された直噴火
花点火多種燃料内燃機関は、噴射弁よりの噴霧角を制御
し、燃料主噴流をピストン下死点近傍にあるピストンキ
ャビティ内に到達せしめるようにし、キャビティ内に予
混合気を形成し、キャビテイ外に空気層を形成した層状
給気を構築するものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、上記０３ＫＡ型の燃焼室を備えたピストンを
用いたエンジンは、単孔ノズルから噴射された燃料を衝
突させる衝突面はピストンへ、ドの平らな衝突面であり
、燃料が該衝突面に衝突して円盤状に拡散するが、ピス
トンの上昇行程によって燃焼室内へのスキッシュ流が発
生し、該スキッシュ流によってＦｉｌＷｉ、円盤状の燃
料と空気と良好な混合気を生成して燃焼状態を良好にす
るものである。しかしながら、エンジンの始動時及び部
分負荷時には、衝突面は低温状態であり、該衝突面に燃
料が衝突した場合には良好な円盤状燃料薄膜が形成され
ず、カーボン付着の現象が発生し、効果的な噴霧分布が
得られず、燃焼効率が悪化するという問題がある。

また、前掲特開昭６３−１２０８１５号公報に開示され
た燃料噴射式内燃機関は、衝突面を断熱構造に構成して
メタノールの気化を促進するものであるが、上記と同様
の問題を解決できるものではない。

また、前掲特開昭６２−１３９９２］号公報及び特開昭
６３−１７１０号公報に開示されたものについても、上
記公報に開示されたものと同様に、効果的な噴霧分布を
得るという問題を解決するものではない。

この発明の目的は、上記の課題を解決することであり、
ピストンヘッドに燃焼室を形成し、該燃焼室の中央底面
に突起部を形成するように断熱プレートを配置し、該断
熱プレートの頂面に衝突面を形成すると共に、該衝突面
に対して液状燃料を噴射する燃料噴射ノズルをシリンダ
ヘッドに配置し、衝突面に燃料噴射ノズルから燃料を噴
射し、その噴射した液状燃料を衝突させて、円盤状に均
一に拡散させ、更に、燃料噴射ノズルを主噴孔と副噴孔
を設けたビントルクイブを使用し、エンジンの作動状態
に応じて燃料噴射ノズルからの燃料の噴射を主噴孔又は
副噴孔から行い、燃料と空気との良好な混合気を形成す
る直接噴射式エンジンを提供することであり、特に、エ
ンジンの高負荷時には燃料噴射ノズルの主噴孔から燃料
を衝突面に噴射して円盤状燃料薄膜を形成し、燃焼室へ
のスキンシュ流で流入する空気と燃料との良好な混合を
実現し、また部分負荷時には燃料噴射ノズルの副噴孔か
ら燃焼室の気中に燃料を噴霧し、燃焼室へのスキンシュ
流で流入する空気と燃料との良好な混合を実現する直接
噴射式エンジンを提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、上記目的を達成するため、次のように構成
されている。即ち、この発明は、ピストンヘッドに形成
した燃焼室、該燃焼室のほぼ中央底部に配置した突起部
を形成する断熱プレート、該断熱プレートに対して液状
燃料を噴射する主噴孔と前記燃焼室の気中に燃料を噴射
するｇｌＪＩＪＦ孔を有するシリンダヘッドに取付けた
燃料噴射ノズル、エンジンの作動状態を検出するセンサ
ー、及び該センサーによる検出信号に応答して前記燃料
噴射ノズルの前記主噴孔又は前記副噴孔から燃料を噴射
させる制御を行うコントローラを有する直接噴射式エン
ジンに関する。

また、この直接噴射式エンジンにおいて、前記コントロ
ーラは前記センサーによる始動時又は部分負荷時の検出
信号に応答して前記燃料噴射ノズルの前記副噴孔から燃
料を噴射させ、また高負荷時の検出信号に応答して前記
燃料噴射ノズルの前記主噴孔から燃料を噴射させる制御
を行うものである。

〔作用〕

この発明による直接噴射式エンジンは、上記のように構
成され、次のように作用する。即ち、この直接噴射式エ
ンジンは、ピストンヘッドに形成した燃焼室のほぼ中央
底部に突起部を形成する断熱プレートを配置し、該断熱
プレートに対して液状燃料を噴射する主噴孔と前記燃焼
室の気中に燃料を噴射する副噴孔を有する燃料噴射ノズ
ルをシリンダヘッドに取付け、コントローラによってエ
ンジンの作動状態に応答して前記燃料噴射ノズルの前記
主噴孔又は前記副噴孔から燃料を噴射させる制御を行う
ので、始動時、部分負荷時及び高負荷時において、燃焼
室内に噴射される燃料と燃焼室へのスキンシュ流とを交
差させて燃料と空気との良好な混合を実現することがで
きる。

即ち、エンジン高負荷時には、燃料噴射ノズルの主噴孔
から燃料を噴射し、耐熱性及び断熱性に冨んだ材料から
成る断熱プレートの衝突させ且つ該断熱プレートの上面
即ち衝突面でガイドして円盤状燃料薄膜を形成し、強力
なスキッシュ流によって燃料と空気との混合を促進し、
衝突面に付着した燃料は高温になっている衝突面で速や
かに気化して強力なスキンシュ流によって空気との混合
が促進され、燃焼が遅れるようなことを防止でき、また
逆スキ、シュ流によって燃焼室内に乱れが発生し、燃焼
が促進され燃焼効率を改善することができる。

また、部分負荷時には、燃料噴射ノズルの副噴孔から燃
焼室の気中に燃料を噴射し、強力なスキ７シユ流によっ
て燃料と空気との混合を促進し、燃焼が促進される。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、この発明による直接噴射式エン
ジンの実施例を説明する。

第１図はこの発明による直接噴射式エンジンの高負荷時
の燃料噴射状態を示す概略図、及び第２図は第１図の部
分負荷時の燃料噴射状態を示す説明図である。

第１図及び第２図に示すように、この直接噴射式エンジ
ンは、シリンダブロック９、該シリンダブロック９に固
定された１気ポート６及び排気ボート７を備えてシリン
ダヘッド３、ピストン１５のピストンヘッド部１に形成
した燃焼室２、シリンダブロック９の孔部に嵌合したシ
リンダライナ１４、該シリンダライナ１４内を往復運動
するピストン１５、及びシリンダヘッド３の下面部に噴
口工１を開口する燃料噴射ノズル４を有している。

唆気ボート６には吸気弁１６が配置され、また、排気ボ
ート７には排気弁１７が配置されている。

この直接噴射式エンジンにおいて、ピストン１５は、例
えば、アルミニウム等の金属材料から成り、ピストンエ
５のピストンヘッド部１には燃焼室２が形成されている
。この燃焼室２の形状は、トロイダル型に形成され、該
燃焼室２の開口１０は口径を強く絞って小さくしたりエ
ンドラント型に形成されている。この燃焼室２のほぼ中
央底部には、その底面８から立ち上がった状態に断熱プ
レート５を配置し、該断熱プレート５の頂面を平らな衝
突面１２に形成する。

また、ピストンヘッド部１に形成した燃焼室２の開口部
に対して噴口を開口した燃料噴射ノズル４が配置されて
いる。この燃料噴射ノズル４は、第３図に示すように、
ビントルノズル等のノズルから構成され、燃料を噴射す
る噴口として主噴孔１１と副噴孔１３とを有している。

第４図（Ａ）は、第３図の符号Ａ部分の拡大図である。

第４図（Ａ）に示すように、燃料噴射ノズル４における
針弁１８の先端部は、副噴孔１３を閉鎖するテーバ面２
０と主噴孔１１に嵌入して主噴孔１１を閉鎖するビン部
１９から構成されている。従って、針弁１８に低圧の開
弁圧が作用して針弁１８が僅かに上方へ上昇した時には
、第４図（Ｂ）に示すように、副噴孔１３のみが開弁し
、少量の燃料が副噴孔１３からのみ噴射されることにな
る。また、針弁１８に高圧の開弁圧が作用して針弁１８
が大きく上方へ上昇した時には、第４図（Ｃ）に示すよ
うに、副噴孔１３及び主噴孔１工の両者が開弁し、主噴
孔１１から大量の燃料が噴射されると共に、副噴孔１３
から少量の燃料が噴射されることになる。

この直接噴射式エンジンにおいて、燃料噴射ノズル４の
主噴孔１１から噴射された燃料は、第１図に示すように
、ピストン上死点付近で液状で突出部５の衝突面１２の
中央部に衝突するように構成されている。また、第２図
に示すように、燃料噴射ノズル４の副噴孔１３から噴射
された燃料は、ピストン上死点付近で燃焼室２内の気中
に噴霧されるように構成されている。

また、この直接噴射式エンジンにおいて、燃焼室２に配
置された断熱プレート５は、その周囲はエツジに形成さ
れ、衝突した燃料が円盤状燃料薄膜を形成し易い形状に
形成されている。また、断熱プレート５は、断熱性及び
耐熱性に冨んだ高温になる窒化珪素（Ｓ　＋　３　Ｎ４
　）　％チタン酸アルミニウム、ジルコニア等のセラミ
ック材料で形成することが好ましい、また、図示してい
ないが、ピストンヘッド部１は、例えば、耐熱性及び断
熱性に冨んだ窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ、）等のセラミック材
料から製作できるものである。

この直接ＩＪｉ射弐エンジンにおいて、ピストン１５の
上昇によって発生する燃焼室２へのスキッシュ流は、矢
印のように、燃焼室２に流入する。第１図に示すように
、エンジン高負荷時には、ピストン１５が上昇して上死
点近傍で燃料噴射ノズル４の針弁１８に高い開弁圧を作
用させて燃料噴射ノズル４の主噴孔１１から燃料を噴射
するようにする。主噴孔１１から噴射された液状燃料は
、断熱プレート５の衝突面１２に衝突して衝突面１２に
沿って円盤状燃料薄膜を形成して燃焼室２へ拡散する。

そこで、燃焼室２への空気の強いスキッシュ流と円盤状
燃料薄膜とは、直交状態に交差し、空気と燃料の混合が
促進され、最適の混合気形成が行われ、次いで着火燃焼
し、引き続（逆スキッシュ流により乱れが生成されて燃
焼が促進され、良好な燃焼状態を確保することができる
。しかも、高負荷時には燃焼室２は高温状態であり、断
熱ブレート５は衝突面１２が高温になっているので、燃
料が衝突面１２に衝突した後、該衝突面１２に付着した
燃料は速やかに蒸発し、強いスキッシュ流によって混合
が促進され、燃焼が遅れることもなく、またカーボンの
付着が発生することもなく、常に衝突面１２は平らな面
を維持することができ、衝突燃料を良好な円盤状燃料薄
膜に形成することができる。

ところで、エンジン始動時又は部分負荷時には、燃焼室
２は高温状態になっておらず、断熱プレート５も高温状
態ではない、低温状態の断熱プレート５に燃料が衝突し
た場合には、衝突面１２に付着した燃料を速やかに蒸発
させることができないから、カーボン付着に原因になり
、燃料と空気との良好な混合を期待できない。

そこで、第２図に示すように、エンジン始動時又は部分
負荷時には、ピストン１５が上昇して上死点近傍で燃料
噴射ノズル４の針弁１８に低い開弁圧を作用させて燃料
噴射ノズル４の副噴孔１３のみから燃料を噴射するよう
にする。副噴孔１３から噴射された燃料は、断熱プレー
ト５の衝突面１２に衝突することなく、燃焼室２内の気
中に噴射される０次いで、燃焼室２への空気の強いスキ
７シユ流と副噴孔１３からの噴流とは、直交状態に交差
し、空気と燃料の混合が促進され、最適の混合気形成が
行われ、次いで着火燃焼し、引き続く逆スキッシュ流に
より乱れが生成されて燃焼が促進され、良好な燃焼状態
を確保することができる。

特に、この直接噴射式エンジンにおいて、燃料噴射ノズ
ル４は、エンジンの作動状態に応答してコントローラ（
図示せず）の指令で主噴孔１１と副噴孔１３、又は副噴
孔１３のみから燃料を噴射するように構成されている。

即ち、この直接噴射式エンジンには、エンジンの負荷り
、を検出する負荷センサー（図示せず）が設けられてい
る。この負荷センサーは、例えば、アクセルペダルの踏
込み量或いは燃料噴射ノズル４から噴射される燃料流量
を検出するセンサーで構成することができ、エンジン負
荷り、は、上記センサーでアクセルペダルの踏込み量或
いは燃料噴射ノズル４からの燃料噴射流量を検出するこ
とによって検出することができる。場合によっては、エ
ンジンの負荷状態は、燃焼室２の温度を検出することに
よって検出することも可能である。負荷センサーによっ
て検出された負荷り、の検出信号は、コントローラに入
力される。該コントローラは、入力された検出信号の負
荷り、と予め設定した所定の負荷Ｌ０とを比較し、その
状態に応じて燃料噴射ノズル４の噴射状態を制御する。

まず、エンジン負荷り、が所定の負荷Ｌ０より大きい場
合には、燃焼室２及び断熱プレート５は高温状態である
ので、燃料噴射ノズル４の主噴孔１１から燃料を噴射さ
せ、衝突面１２に燃料を衝突させて円盤状燃料薄膜を形
成させる制御を行う。

また、エンジン始動時又はエンジン負荷り、が所定の負
荷Ｌ０より小さい場合には、燃焼室２及び断熱プレート
５は高温状態でないので、燃料噴射ノズル４の副噴孔１
３から燃焼室２の気中に燃料を噴射させる制御を行う。

次に、この発明による直接噴射式エンジンの作動を、第
１図、第２図及び第５図を参照して説明する。

この直接噴射式エンジンにおいて、エンジンの作動状態
を検出し、該検出信号に応答して燃料噴射ノズル４の主
噴孔１１又は副噴孔１３から燃料を噴射するように制御
する。エンジンの作動状態として、エンジン始動状態で
あるか否かを判断しくステップ３０）、始動状態である
場合には、コントローラの指令によって、燃料噴射ノズ
ル４の針弁１８に低い開弁圧を作用させて副噴孔１３の
みを開弁するように制御し、ピストン上死点近傍で燃料
噴射ノズル４の副噴孔１３から燃料を燃焼室２内に気中
に噴射する（ステップ３１）。

エンジン始動状態でない場合には、負荷センサーによっ
てエンジンの負荷り、を検出する（ステップ３２）、負
荷センサーによって検出された負荷Ｌ２の検出信号を、
コントローラに入力し、コントローラによって、入力さ
れた検出信号の負荷り、と予め設定した所定の負荷Ｌ０
とを比較し、エンジン負荷り、が所定の負荷Ｌ０より大
きいか否かを判断する（ステ、ブ３３）。

エンジン負荷り、が所定の負荷Ｌ０より大きい場合には
、燃焼室２が高温状態であり且つ断熱プレート５は高温
になっているので（ステップ３４）、コントローラの指
令によって、燃料噴射ノズル４の針弁１８に高い開弁圧
を作用させて主噴孔】１及び副噴孔１３の両者を開弁す
るように制御し、ピストン上死点近傍で燃料噴射ノズル
４の主噴孔１１と副噴孔１３から燃料を燃焼室２内に噴
射し、主噴孔１１から噴射された液状燃料を断熱プレー
ト５の衝突面１２に衝突させる。衝突面１２に噴射され
た液状燃料は、衝突面１２に沿って拡散して円盤状燃料
薄膜を形成する。そこで、円盤状燃料薄膜は燃焼室２へ
の強いスキッシュ流で流入する空気と良好な混合気を生
成して着火燃焼する（ステップ３５）。

また、エンジン負荷Ｌ７が所定の負荷Ｌ０より小さい場
合には、燃焼室２は高温状態でなく且つ断熱プレート５
は高温になっていないので、コントローラの指令によっ
て、燃料噴射ノズル４の針弁１８に低い開弁圧を作用さ
せて副噴孔１３のみを開弁するように制御し、ピストン
上死点近傍で燃料噴射ノズル４の副噴孔１３から燃料を
燃焼室２内に噴射し、副噴孔１３から噴射された液状燃
料を燃焼室２内の気中に噴射させる。気中に噴射燃料は
、燃焼室２への強いスキッシュ流で流入する空気と良好
な混合気を生成して着火燃焼する（ステップ３１）。

〔発明の効果〕

この発明による直接噴射式エンジンは、上記のように構
成されており、次のような効果を有する。

即ち、この直接噴射式エンジンは、ピストンヘッドに形
成した燃焼室、該燃焼室のほぼ中央底部に配置した突起
部を形成する断熱プレート、該断熱プレートに対して液
状燃料を噴射する主噴孔と前記燃焼室の気中に燃料を噴
射する副噴孔を有するシリンダヘッドに取付けた燃料噴
射ノズル、エンジンの作動状態を検出するセンサー、及
び該センサーによる検出信号に応答して前記燃料噴射ノ
ズルの前記主噴孔又は前記副噴孔から燃料を噴射させる
制御を行うコントローラををするので、始動時、部分負
荷時及び高負荷時のエンジンの作動状態に応答して前記
燃料噴射ノズルから噴射される燃料噴射方向を制御する
ことができ、最適の混合気形成を達成でき、燃焼状態を
改善し、前記断熱プレートへのカーボンの付着を防止で
きる。

即ち、エンジン高負荷時には、前記燃料噴射ノズルの前
記主噴孔から燃料を噴射して前記断熱プレートの前記衝
突面に衝突させ、次いで該衝突面に沿って半径方向外向
きに拡散して円盤状燃料薄膜を形成し、該円盤状燃料薄
膜を前記燃焼室の外周部に分布させ、該円盤状燃料Ｆｉ
ｌ膜と前記燃焼室への強いスキッシュ流とを交差させて
燃料と空気との混合を促進する。しかも、断熱性に冨ん
だ前記衝突面は高温になっており、該高温の前記衝突面
に付着した燃料は前記衝突面で速やかに気化して強力な
スキッシュ流によって空気との混合が促進され、燃焼が
遅れるようなことを防止でき、また逆スキフシュ流によ
って前記燃焼室内に乱れが発生し、燃焼が促進され燃焼
効率を改善することができる。

また、部分負荷時には、前記燃料噴射ノズルの前記副噴
孔から前記燃焼室の気中に燃料を噴射し、強力なスキッ
シュ流によって燃料と空気との混合を促進し、また逆ス
キフシュ流によって前記燃焼室内に乱れが発生し、燃焼
が促進され燃焼効率を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による直接噴射式エンジンの一実施例
を示し且つ高負荷時の作動状態の示す説明図、第２図は
第１図の直接噴射式エンジンの始動時及び部分負荷時の
作動状態を示す説明図、第３図は第１図の直接噴射式エ
ンジンに使用できる燃料噴射ノズルの一例を示す説明図
、第４図（Ａ）、第４図（Ｂ）及び第４図（Ｃ）は第３
図の燃料噴射ノズルの作動状態を説明する説明図、及び
第５図は第１図の直接噴射式エンジンの作動の一例を示
す処理フロー図である。 １−・−一一一一ピストンヘッド部、２−−−一燃焼室
、３シリンダヘッド、 燃料噴射ノズル、 断熱プレート、 底面、 開口、 １−・− 主噴孔、 衝突面、１３ 副噴孔、 ピストン、１８ 針弁、 ピン 部、２０ テーパ面。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ピストンヘッドに形成した燃焼室、該燃焼室のほ
   ぼ中央底部に配置した突起部を形成する断熱プレート、
   該断熱プレートに対して液状燃料を噴射する主噴孔と前
   記燃焼室の気中に燃料を噴射する副噴孔を有するシリン
   ダヘッドに取付けた燃料噴射ノズル、エンジンの作動状
   態を検出するセンサー、及び該センサーによる検出信号
   に応答して前記燃料噴射ノズルの前記主噴孔又は前記副
   噴孔から燃料を噴射させる制御を行うコントローラを有
   する直接噴射式エンジン。
2. （２）前記コントローラは前記センサーによる始動時又
   は部分負荷時の検出信号に応答して前記燃料噴射ノズル
   の前記副噴孔から燃料を噴射させ、また高負荷時の検出
   信号に応答して前記燃料噴射ノズルの前記主噴孔から燃
   料を噴射させる制御を行う請求項１に記載の直接噴射式
   エンジン。