JPH0530994B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、自動車等の車輌に用いられる内燃機
関に係り、特に燃料噴射ノズルより燃料を燃焼室
内に直接噴射供給され、その燃料と空気との混合
気を火花放電手段により火花点火してこれの燃焼
を行う筒内燃料噴射式火花点火内燃機関に係る。

筒内燃料噴射式火花点火内燃機関は、層状給気
機関、または成層燃焼機関と云われる種類の内燃
機関の一種であり、この種の内燃機関は、火花放
電手段の火花放電ギヤツプ付近に可燃適正空燃比
の混合気が存在すれば、他の部分に存在する混合
気が可燃適正空燃比以外の空燃比のものであつて
も、即ち不均一混合気であつても火花点火による
良好な燃焼を行い、しかもデイーゼル機関の如く
燃料噴射量が制御されることにより負荷制御さ
れ、部分負荷運転時に吸気を絞られる必要がない
から、ガソリン機関とデイーゼル機関の長所を兼
備え、熱効率が高く、燃料経済性、排気ガス性能
に優れ、そのうえ燃料の粗悪化に対応する多燃料
性にも優れている。

筒内燃料噴射式火花点火内燃機関は、一般に、
球形天井部を有している如き渦室、またはピスト
ン頂部に設けられた平断面形状が円形の燃焼室窪
みの如く湾曲した内壁により郭定された燃焼室を
有し、該燃焼室内に吸気スワールの如く前記内壁
に沿つて流れる吸気旋回流を生じ、燃料噴射ノズ
ルより前記吸気旋回流を横切る方向へ燃料を噴射
供給され、燃料噴霧特性と吸気旋回流との適合に
よつて火花放電手段の火花放電ギヤツプ付近に可
燃適正空燃比の混合気の領域を形成するようにな
つている。

燃料噴射ノズルの燃料噴射特性が一定で、燃焼
室内に生じる吸気旋回流の強さ（流速）が内燃機
関の運転状態の変化に拘らず一定であれば、燃焼
室内に於て可燃適正空燃比の混合気が存在する領
域の位置は変化しないから、この場合には、その
領域内に一つの火花放電ギヤツプが配置されるよ
うに点火プラグの如き火花放電手段が設けられれ
ば良いが、しかし、実際は、特に自動車用内燃機
関に於ては、内燃機関の常用回転数域が大きいた
めに、機関回転数の変化による吸気流速の変化に
より吸気スワールの如き吸気旋回流の流速が変化
する変化幅が比較的大きく、この吸気旋回流によ
り燃料噴射ノズルより噴射された燃料の噴霧束が
流されることにより、該吸気旋回流の流速の変化
に応じて燃料噴射流の方向が変化し、これに伴い
可燃適正空燃比の混合気が存在する領域の位置が
変動し、このため一つの位置にのみ火花放電ギヤ
ツプが固定配置されていたのでは、内燃機関は特
定運転域でしか良好な成層燃焼を行わない。

本発明者は、吸気旋回流の強さの変化に起因す
る燃料噴射ノズルよりの燃料噴射流の方向の変動
について実験的研究を行つた。これにより、低回
転運転時に於て上述の如き成層燃焼に必要な流速
の吸気スワールが生じるように内燃機関が設計さ
れていると、高回転運転時には拘束の吸気旋回流
が生じ、低回転運転時には前記吸気旋回流によつ
て燃料噴射ノズルよりの燃料噴射流が実質的に偏
向されることがなくても高回転運転時には前記吸
気旋回流によつて燃料噴射ノズルよりの燃料噴射
流が前記燃焼室の内壁の側へ偏向され、可燃適正
空燃比の混合気が存在する領域の位置が機関回転
数の増大に伴つて前記内壁に近付く方向へ偏倚
し、このために一つの位置のみに火花放電ギヤツ
プが設けられていたのでは、内燃機関は特定の運
転域でしか良好な成層燃焼を行わないと云うこと
が究明された。

本発明は、機関回転数の変化に伴う吸気旋回流
の流速の変化により燃料噴射ノズルの燃料噴射の
方向が変化して可燃適正空燃比の混合気が存在す
る領域の位置が上述の如く変動すると云うことに
鑑み、適切な多点火花放電により常に確実な火花
点火を行い、全運転領域に亙つて良好な成層燃焼
を行う改良された筒内燃料噴射式火花点火内燃機
関を提供することを目的としている。

上述の如き目的は、本発明によれば、湾曲した
内壁により郭定された燃焼室を有し、前記燃焼室
に前記内壁に沿つて生じる吸気旋回流を横切る方
向へ燃料噴射ノズルより燃料が噴射供給される筒
内燃料噴射式火花点火内燃機関に於て、前記燃料
噴射ノズルより噴射供給された燃料噴流が横切つ
た後の前記燃焼室の内壁に沿う前記吸気旋回流を
前記内壁より互いに異る距離隔たつた位置にて横
切る複数個の火花放電ギヤツプを有する火花放電
手段を有していることを特徴とする筒内燃料噴射
式火花点火内燃機関によつて達成される。

かかる構成によれば、可燃適正空燃比の混合気
が存在する領域の位置が吸気旋回流の流速の変化
に応じて変化しても、その領域は常に前記複数個
の位置にある火花放電ギヤツプの少くとも一つを
含み、従つて、内燃機関の全運転域に亙つて確実
な火花点火による良好な成層燃焼が行われる。

本発明による筒内燃料噴射式火花点火内燃機関
は、エンジン本体に渦室に如き副室を有するリカ
ルド方式内燃機関、或いは副室に代えてピストン
頂部に円形の平断面形状の燃焼室窪みを有するテ
キサゴTCCS方式内燃機関を基本とする方式の内
燃機関であつて良い。

複数個の位置に火花放電ギヤツプを与える火花
放電は、一つの中心電極と一つの接地電極とによ
る一つの火花放電ギヤツプを有する複数個の点火
プラグ、或いは中心電極と接地電極による火花放
電ギヤツプを複数個有する少くとも一つの点火プ
ラグにより構成されていれば良い。

以下に添付の図を参照して本発明を実施例につ
いて詳細に説明する。

第１図は本発明による筒内燃料噴射式火花点火
内燃機関の一つの実施例をその要部について示す
縦断面図である。第１図に於て、１及び２は筒内
燃料噴射式火花点火内燃機関の機関本体を構成す
るシリンダヘツド及びシリンダブロツクを各々示
しており、これらはガスケツト３を介して互いに
締結されている。シリンダブロツク２にはシリン
ダライナ４が取付けられており、該シリンダライ
ナはその内側のシリンダボア５内にピストン６を
図にて上下方向に往復動可能に受入れている。

シリンダヘツド１には渦室７が設けられてい
る。渦室７は、シリンダヘツド１に形成された窪
み部により直接与えられる半球状の球形天井部８
と、シリンダヘツド１の取付孔９内に嵌挿されて
シリンダヘツド１に固定された噴口部材１０によ
り与えられる偏平底部１１とを有し、噴口部材１
０に形成されたシリンダ軸線に対し傾斜した連絡
孔１２によつてシリンダボア５内に連通したコメ
ツト型の渦室であり、その内部に圧縮行程時にピ
ストン６の上昇に伴いシリンダボア５内の吸気が
連絡孔１２を経て流入することにより、その内壁
に沿つて流れる縦廻りの吸気旋回流Ｓを生じせし
めるようになつている。

シリンダヘツド１には渦室７の天井部に開口し
たノズル取付孔１３が設けられており、このノズ
ル取付孔には単一噴口式燃料噴射ノズル１４がね
じ式に取付けられている。燃料噴射ノズル１４
は、例えばピストン型のものであり、連絡孔１２
と同方向に傾斜してシリンダヘツド１に取付けら
れており、その先端部に燃料噴口１５を有し、該
燃料噴口より噴射口１６を経て渦室７内へ該渦室
内に生じる吸気旋回流Ｓを横切る方向へガソリ
ン、アルコール、その他の液体燃料を所定の噴霧
拡散角を持つて噴射供給するようになつている。

燃料噴射ノズル１４には燃料タンク１７に蓄え
られた液体燃料が、燃料導管１８、燃料ポンプ１
９、燃料導管２０、燃料噴射ポンプ２１、燃料導
管２２を経て供給されるようになつている。燃料
噴射ポンプ２１は、デイーゼル機関に用いられる
一般的な燃料噴射ポンプと実質的に同一構造のも
のであつて良く、機関負荷に応じて一行程当りの
燃料量を計量し、この計量された液体燃料を燃料
噴射ノズル１４へ高圧供給するようになつてい
る。

シリンダヘツド１には各々渦室７の天井部に開
口した二つのプラグ取付孔２３と２４が設けられ
ており、このプラグ取付孔の各々には点火プラグ
２５と２６がねじ式に取付けられている。点火プ
ラグ２５と２６は、各々火花点火内燃機関に用い
られる一般的な点火プラグと実質的に同一のもの
であつて良く、それぞれ中心電極２７，２９と接
地電極２８，３０とを有し、点火プラグ２５は中
心電極２７と接地電極２８とによつて一つの火花
放電ギヤツプ３１を構成しており、点火プラグ２
６は中心電極２９と接地電極３０とによつてもう
一つの火花放電ギヤツプ３２を構成している。点
火プラグ２５と２６とがシリンダヘツド１に正規
に取付けられている時には、火花放電ギヤツプ３
１と３２は共に燃料噴射ノズル１４よりの燃料噴
射流の前方位置であつてその燃料噴射主軸より一
方の側に偏倚し、このうちギヤツプ３１は球形天
井部８の内壁より比較的大きく隔たつた位置にあ
り、これに対しもう一つのギヤツプ３２は天井部
８の内壁よりさほど隔たつておらずその内壁に極
く接近した位置にある。

点火プラグ２５の中心電極２７と接地電極２８
との間及び点火プラグ２６の電極２９との接地電
極３０との間には点火コイル３３によつて誘起さ
れた高電圧が印加されるようになつている。点火
コイル３３はイグナイタ３４よりトリガ或いはパ
ルス的な信号を与えられた時に間歇的に高電圧を
誘起するようになつており、またイグナイタ３４
は、クランク角度検出用円板３５に対向して設け
られたクランク角度センサ３６よりクランク角度
に関する電気信号を与えられ、所定のクランク角
度時に点火コイル３３へ前記電気信号を出力する
ようになつている。

従つて、点火プラグ２５及び２６は各々所定の
クランク回転角時に高電圧を印加され、火花放電
ギヤツプ３１及び３２に各々火花放電を生じる。

次に第２図及び第３図を参照して燃料噴射ノズ
ル１４より噴射される燃料の噴霧の挙動と点火プ
ラグの火花放電ギヤツプの位置関係について説明
する。第２図は機関回転数が比較的低い時の状態
を示している。機関回転数が比較的低い時には、
ピストン４の移動速度がさほど速くないので、吸
気旋回流はさほど速くなく、従つてこの時には燃
料噴射ノズル１４の燃料噴口１５より噴射された
液体燃料の噴霧は吸気旋回流Ｓによつて実質的に
流されることがなく、該燃料噴霧は燃料噴射ノズ
ル１４の燃料噴射主軸Ａの周りに円錐状に末広が
りに拡散する。可燃適正空燃比の混合気は前記燃
料噴霧とその周りにある空気との混合により形成
され、この可燃適正空燃比の混合気は前記燃料噴
霧の束の外周領域に存在する。この可燃適正空燃
比の混合気が存在する領域には点火プラグ２５の
火花放電ギヤツプ３１があり、従つてこの時には
前記可燃適正空燃比の混合気は火花放電ギヤツプ
３１に於ける火花放電により点火される。

第３図は機関回転数が比較的高い時の状態を示
している。ピストン４の移動速度は機関回転数の
増大に伴い速くなるから、それに伴い渦室７内の
吸気旋回流Ｓの流速が速くなり、この吸気旋回流
によつて燃料噴口１５より噴射された燃料の噴霧
が流され、その燃料噴霧束が燃料噴射ノズル１４
の燃料噴射主軸Ａの一方の側に偏り、これにより
前記燃料噴霧とその周りにある空気との混合によ
り形成される可燃適正空燃比の混合気が存在する
領域が機関回転数の増大に伴い渦室７の天井部内
壁に近付く方向へ移動する。従つて、機関回転数
が所定値以上になると、点火プラグ２５の火花放
電ギヤツプ３１の位置は可燃適正空燃比の混合気
が存在する領域より外れ、このためこの時には、
混合気は点火プラグ２５によつては点火されなく
なるが、可燃適正空燃比の混合気が存在する領域
が点火プラグ２６の火花放電ギヤツプ３２を含む
ようになり、この火花放電ギヤツプ３２に於ける
火花放電によつてその混合気の点火が確実に行わ
れるようになる。

第４図は、機関回転数が比較的低い運転領域に
於ては点火プラグ２５によつて混合気の点火が行
われ、機関回転数が比較的高い運転領域に於ては
点火プラグ２６によつて混合気の点火が行われる
ことを示している。

上述の如く、火花放電ギヤツプの配設位置が互
いに異つた二つの点火プラグが用いられることに
より、内燃機関はその全運転域に亙つて失火を生
じることなく安定した成層燃焼を行う。

第５図乃至第８図は第１図に示された実施例と
同様の渦室を有する筒内燃料噴射式火花点火内燃
機関の他の実施例を示している。尚、第５図乃至
第８図に於て第１図に対応する部分は第１図に付
した符号と同一の符号により示されている。

第５図に示された実施例に於ては、点火プラグ
２５のシリンダヘツド１に対する取付姿勢が第１
図に示された実施例のそれに対し変更されてい
る。第５図に示された実施例に於ては、燃料噴射
ノズル１４の両側に点火プラグ２５と２６とが取
付けられており、この場合には、第１図に示され
た実施例の如く、燃料噴射ノズル１４の一方の側
に点火プラグ２５と２６とが配設される場合に比
してそれらの取付姿勢の設計上の自由度が増大す
る。

第６図に示された実施例に於ては、シリンダヘ
ツド１に設けられた一つのプラグ取付孔３７に複
合点火プラグ３８が取付けられている。複合点火
プラグ３８は、各々対をなす二つの中心電極３
９，４０と、二つの接地電極４１，４２とを有
し、中心電極３９と接地電極４１との間に一つの
火花放電ギヤツプ４２を構成し、また中心電極４
０と接地電極４２との間にもう一つの火花放電ギ
ヤツプ４４を構成している。点火プラグ３８が、
図示されている如く、シリンダヘツド１に正規に
取付けられている時には、火花放電ギヤツプ４３
は渦室７の内壁より比較的大きく隔たつた位置に
あり、これに対し火花放電ギヤツプ４２は渦室７
の内壁に極く接近した位置にある。

この実施例に於ても、第１図に示された実施例
に於ける点火時期制御装置によつて所定のクラン
ク角時に中心電極３９と接地電極４１との間及び
中心電極４０と接地電極４２との間に高電圧が印
加され、火花放電ギヤツプ４３と４４とに火花放
電が生じることにより上述した実施例と同様の作
用効果が得られることが理解されよう。

第７図及び第８図に示された実施例に於ては、
点火プラグ２５と２６とが第１図乃至第６図に示
された実施例に於けるそれの配列方向とは90度異
つた方向に配列されている。この実施例に於て
も、点火プラグ２５の火花放電ギヤツプ３１は渦
室７の内壁より比較的大きく遠去かつた位置にあ
り、これに対し点火プラグ２６の火花放電ギヤツ
プ３２は前記内壁に接近した位置にある。

従つて、この実施例に於ても、前記二つの火花
放電ギヤツプ３１と３２とで火花放電が行われる
ことにより、内燃機関はその全運転域に亙つて安
定した成層燃焼を行う。またこの実施例に於ける
如く、点火プラグが配置されることにより一つの
気筒に対して二本の点火プラグを容易に取付ける
ことが可能である。

第９図及び第１０図は本発明による筒内燃料噴
射式火花点火内燃機関を副室を有していない単室
式内燃機関に適応した一つの実施例を示してい
る。第９図及び第１０図に於て、５０はシリンダ
ヘツドを、５１はシリンダブロツクを、５２はピ
ストンを各々示しており、ピストン５２はその頂
部に円形の平断面形状を有するトロイダル型の燃
焼室窪み５３を有している。シリンダヘツド５０
には吸気ポート５４と排気ポート５５とが設けら
れており、吸気ポート５４より燃焼室内に吸入さ
れる吸気流、即ち吸気スワールによつて燃焼室窪
み５３内に第９図に於て矢印で示されている如き
吸気旋回流Ｓが生じるようになつている。

シリンダヘツド５０には燃料噴射ノズル５６が
取付けられている。燃料噴射ノズル５６は、例え
ばホール型のものであり、先端部に燃料噴口５７
を有し、ピストン５２が上死点位置近くにある時
に燃焼室窪み５３内へ該燃焼室窪み内に生じてい
る吸気旋回流Ｓを横切る方向へ液体燃料を噴射す
るようになつている。

シリンダヘツド５０には点火プラグ５８が取付
けられている。点火プラグ５８は、中心電極５９
と、接地電極６０と、中間電極６１とを有し、接
地電極６０と中間電極６１の一端部との間に一つ
の火花放電ギヤツプ６２を構成し、また中心電極
５９と中間電極６１の他端部との間にもう一つの
火花放電ギヤツプ６３を構成している。この点火
プラグ５８は二つの火花放電ギヤツプ６２と６３
とを互いに異つた位置に電気的に直列に有してお
り、該点火プラグがシリンダヘツド５０に正規に
取付けられている時にはギヤツプ６２と６３は
各々燃料噴射ノズル５６よりの燃料噴射流の前方
位置にあり、このうち火花放電ギヤツプ６２は燃
焼室窪み５３の内壁より比較的大きく隔たつた位
置にあり、これに対し火花放電ギヤツプ６３は前
記内壁に接近した位置に位置している。点火プラ
グ５８は中心電極５９と接地電極６０との間に高
電圧を印加されることにより火花放電ギヤツプ６
２と６３とに各々火花放電を生じる。燃焼室窪み
５３内に発生する吸気旋回流Ｓの流速は機関回転
数の増大に伴い吸気流速が速まるに従つて速くな
り、従つて、この実施例に於ても吸気旋回流の流
速の増大に伴い燃料噴射ノズル５６より噴射され
た燃料の噴霧束が吸気旋回流により燃焼室窪み５
３の内壁に近付く側へ流され、その燃料噴霧とそ
の周りに存在する空気との混合により得られる適
正可燃空燃比の混合気が存在する領域が機関回転
数の増大に伴い燃料噴射ノズル５６の燃料噴射主
軸Ａより燃焼室窪み５３の一方の内壁面に近付く
方向へ偏倚する。

このため、機関回転数が比較的低い時には、火
花放電ギヤツプ６２の配設位置付近に可燃適正空
燃比の混合気が存在する領域が位置し、この時に
は火花放電ギヤツプ６２に於ける火花放電によつ
てその混合気の点火が行われる。これに対し機関
回転数が比較的高い時には、可燃適正空燃比の混
合気が存在する領域が火花放電ギヤツプ６２の配
設位置より外れ、もう一つの火花放電ギヤツプ６
３の配設位置付近に位置するようになり、従つ
て、この時には火花放電ギヤツプ６３に於ける火
花放電によつてその混合気の点火が行われる。従
つてこの実施例に於ても内燃機関はその全運転域
に亙つて良好な成層燃焼を行う。

尚、上述した実施例に於ては、火花放電ギヤツ
プは２個であるが、これは２個以上の複数個の設
けられていても良いことは勿論のことである。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細
に説明したが、本発明は、これらに限定されるも
のではなく、本発明の範囲内にて種々の実施例が
可能であることは当業者にとつて明らかであろ
う。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による筒内燃料噴射式火花点火
内燃機関を副室式内燃機関に適用した一つの実施
例をその要部について示す縦断面図、第２図及び
第３図は第１図に示された筒内燃料噴射式火花点
火内燃機関に於ける燃料噴霧の挙動と点火プラグ
の位置関係についてを示す縦断面図、第４図は二
つの点火プラグの点火範囲を示すグラフ、第５図
乃至第７図は各々本発明による筒内燃料噴射式火
花点火内燃機関を副室式筒内燃料噴射式に適用し
た実施例を示す縦断面図、第８図は第７図の線
−に沿う断面図、第９図は本発明による筒内燃
料噴射式火花点火内燃機関を単室式内燃機関に適
用した一つの実施例をその要部について示す解図
的平面図、第１０図は第９図の線−に沿う断
面図である。 １……シリンダヘツド、２……シリンダブロツ
ク、３……ガスケツト、４……シリンダライナ、
５……シリンダボア、６……ピストン、７……渦
室、８……球形天井部、９……取付孔、１０……
噴口部材、１１……偏平底部、１２……連絡孔、
１３……ノズル取付孔、１４……燃料噴射ノズ
ル、１５……燃料噴口、１６……噴射口、１７…
…燃料タンク、１８……燃料導管、１９……燃料
ポンプ、２０……燃料導管、２１……燃料噴射ポ
ンプ、２２……燃料導管、２３，２４……プラグ
取付孔、２５，２６……点火プラグ、２７……中
心電極、２８……接地電極、２９……中心電極、
３０……接地電極、３１，３２……火花放電ギヤ
ツプ、３３……点火コイル、３４……イグナイ
タ、３５……クランク角度検出用円板、３６……
クランク角度センサ、３７……プラグ取付孔、３
８……複合点火プラグ、３９，４０……孔心電
極、４１，４２……接地電極、４３，４４……火
花放電ギヤツプ、５０……シリンダヘツド、５１
……シリンダブロツク、５２……ピストン、５３
……燃焼室窪み、５４……吸気ポート、５５……
排気ポート、５６……燃料噴射ノズル、５７……
燃料噴口、５８……点火プラグ、５９……中心電
極、６０……接地電極、６１……中間電極、６
２，６３……火花放電ギヤツプ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 湾曲した内壁により郭定された燃焼室を有
   し、前記燃焼室に前記内壁に沿つて生じる吸気旋
   回流を横切る方向へ燃料噴射ノズルより燃料が噴
   射供給される筒内燃料噴射式火花点火内燃機関に
   於て、前記燃料噴射ノズルより噴射供給された燃
   料噴流が横切つた後の前記燃焼室の内壁に沿う前
   記吸気旋回流を前記内壁より互いに異る距離隔た
   つた位置にて横切る複数個の火花放電ギヤツプを
   有する火花放電手段を有していることを特徴とす
   る筒内燃料噴射式火花点火内燃機関。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載された筒内燃料
   噴射式火花点火内燃機関に於て、前記燃焼室は機
   関本体に設けられた渦室であることを特徴とする
   筒内燃料噴射式火花点火内燃機関。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載された筒内燃料
   噴射式火花点火内燃機関に於て、前記燃焼室はピ
   ストンの頂部に設けられた燃焼室窪みであること
   を特徴とする筒内燃料噴射式火花点火内燃機関。 ４ 特許請求の範囲第１項乃至第３項の何れかに
   記載された筒内燃料噴射式火花点火内燃機関に於
   て、前記火花放電手段は中心電極と接地電極とに
   よる火花放電ギヤツプを有する複数個の点火プラ
   グにより構成されていることを特徴とする筒内燃
   料噴射式火花点火内燃機関。 ５ 特許請求の範囲第１項乃至第３項の何れかに
   記載された筒内燃料噴射式火花点火内燃機関に於
   て、前記火花放電手段は中心電極と接地電極とに
   よる火花放電ギヤツプを複数個有する少くとも一
   つの点火プラグにより構成されていることを特徴
   とする筒内燃料噴射式火花点火内燃機関。