JPH11153034A - 直接噴射火花点火式エンジン - Google Patents

直接噴射火花点火式エンジン

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JPH11153034A
JPH11153034A JP10267300A JP26730098A JPH11153034A JP H11153034 A JPH11153034 A JP H11153034A JP 10267300 A JP10267300 A JP 10267300A JP 26730098 A JP26730098 A JP 26730098A JP H11153034 A JPH11153034 A JP H11153034A
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JP
Japan
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fuel
combustion chamber
engine
cylinder
ball
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JP10267300A
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Richard Walter Anderson
リチャード、ウォルター、アンダーソン
Jianwen Yi
ジアンウェン、イ
Jialin Yang
ジアリン、ヤン
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Ford Global Technologies LLC
Original Assignee
Ford Global Technologies LLC
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Publication date
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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B17/00—Engines characterised by means for effecting stratification of charge in cylinders
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 壁面湿潤状態とそれによる煤の発生を防止し
つつ、層状充填状態を起こし得る燃料量を増やして、燃
料経済性を向上させる。 【解決手段】 所定の速度と所定の滴寸法により燃料を
噴射し、所定の初期コーン角度を有する中空コーンへと
噴射された燃料をなすことにより、直接噴射エンジンに
おける層状充填状態が形成される。それにより、噴射さ
れた燃料が、浮遊して壁面湿潤とそれに続く煤形成を削
減する様に燃焼室２４内に浅く入る。上部が実質的に平
らなピストンは、エンジンの圧縮工程中において、噴射
された燃料をボール形状の核となす。ボール形状の核は
吸入された空気とは実質的に未混合のままであり、それ
により層状充填状態を実現する。ピストンの連続した運
動により、ボール形状の核は点火するために、スパーク
・プラグ３０に向けて動かされる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は直接噴射式エンジン
に関し、より具体的にはその様なエンジンにおいて層状
充填状態を形成することに関する。
【０００２】
【従来の技術】直接噴射式エンジンは、燃焼室内に層状
充填状態を起こす事によって、エンジンの低負荷状態に
おける燃料経済性を向上させることを目的としている。
層状充填エンジンは、空気／燃料の別々の混合気の層状
層を燃焼室が保持するものである。点火プラグに最も近
い層は、理論空燃比よりもわずかにリッチな混合気を含
み、続く層は次第にリーンな混合気を含む。燃焼室内の
混合気は全体として、理論空燃比よりもリーンであっ
て、低負荷における全体としての燃料経済性を向上させ
る。エンジン全負荷の５０％よりも大きいのが典型的で
ある、エンジンの高負荷においては、均一な空気／燃料
混合気が燃焼室に供給される。
【０００３】一般的な直接噴射式エンジンは、燃焼室に
入る空気のスワールやタンブルを起こすために、その上
面に凹み（ボールと呼ばれるのが典型的）を有するピス
トン及び吸入ポートに配置されたスワールやタンブルの
制御弁を有するのが一般的である。燃料が燃焼室内に噴
射されると、燃料はボールの底に突き当たり、燃焼室内
の空気の動きと協働して充填物の最もリッチな部分が点
火源に向けて移動する層状充填状態を起こす。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の発明者らは、
これら従来技術のエンジンのある問題点に気が付いた。
例えば、燃料インジェクターから噴射された燃料は、ピ
ストンのボールに向かうので、燃料の一部がピストンの
表面に付着して、望ましくない壁面湿潤状態を起し易
い。残りの燃料が燃焼する時に、ピストンの表面に向け
て広がる火炎が、ピストン表面上の液体燃料を完全に燃
やすことは不可能である。この結果、燃焼中に煤が発生
して、望ましくない。
【０００５】加えて、これらエンジンは、燃料がボール
に突き当たり、その後で点火プラグに向かうことを前提
として設計されるので、燃料噴射のタイミングが大きな
問題となる。直接噴射式エンジンにおいて、燃料噴射は
時間の関数であって、ピストンの動きはクランク角度の
関数である。ポート噴射式エンジンにおいては、吸気弁
の開度はクランク角度の関数であるので、燃焼室に入る
燃料はクランク角度の関数である。結果として、噴射さ
れた燃料が適切な時期にボールに入って、燃料噴霧がス
パーク・プラグへと移動する様に、直接噴射式エンジン
における燃料噴射時期を制御することが肝要である。言
い換えると、仮に燃料が噴射されるのが早すぎると、噴
霧はボールから完全に外れ、点火プラグに向けて反射す
ることが無い。仮に燃料が噴射されるのが遅すぎると、
壁面湿潤が起こり過ぎることがあり得る。
【０００６】更に、本発明の発明者らが発見したのは、
ピストン中にモールを有するエンジンにおいて、層状充
填状態と均一充填状態との間の切り換えが、エンジンの
全負荷の３０％から４０％の間の範囲の部分負荷で起こ
るということである。エンジンの負荷が高くなると、よ
り多くの燃料が必要とされる。しかしながら、ボールの
物理的制約（つまり、燃焼室の寸法に対するボールの寸
法）により、ボールの中に位置し得て且つ層状充填を起
こし得る燃料量は限られている。そうでなければ、壁面
湿潤とそれに続く煤形成の可能性が増すことにもなる。
結果として、エンジン全負荷の約４０％より上では、燃
料経済性が妥協されている。
【０００７】従来技術のエンジンの別の問題点として
は、ピストンが重くなる、大きなピストンを収容するた
めにエンジンが高くなる、燃焼室の表面積の容積に対す
る比が大きくなる、熱損失が大きくなる、吸入工程と圧
縮工程とにおいて充填量が増し、エンジンのノッキング
の発生傾向を増やすことになる、が挙げられる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は、従来の
技術の問題点を解消する直接噴射式火花点火エンジンを
提供することにある。直接噴射式火花点火内燃機関に層
状充填混合気を形成する方法を提供することによって、
この目的が達成され、従来技術の取り組みの問題点が解
消される。エンジンはシリンダー・ブロックとその中に
形成されたシリンダー・ボアを有する。シリンダー・ボ
アは長手軸を定義する。上部が略平面状のピストンがシ
リンダー・ボア内に往復動可能に収容され、シリンダー
・ヘッドがシリンダー・ブロックに取り付けられて、シ
リンダー・ボアの上端を閉じて燃焼室を形成する。吸気
ポートが、シリンダー・ヘッド内に形成され、空気を燃
焼室へと導くために吸気弁を介して燃焼室と連通してい
る。軸を定義して燃焼室と連通する燃料インジェクター
が、燃焼室に直接、燃料を供給する。点火源が燃焼室と
連通しており、燃焼室内の燃料を点火する。本発明の特
徴の一つは、方法が、燃料インジェクターから燃焼室へ
燃料を、所定の速度と、所定の滴寸法で、噴射する工程
を含むことである。噴射された燃料は、所定の初期コー
ン角度を有する中空燃料コーンになされる。噴射された
燃料は、その中で浮遊して壁面付着を減少させる様に、
燃焼室へと浅く入る。この方法は又、エンジンの圧縮工
程において、上部が略平面状のピストンにより、燃料コ
ーンを略ボール形状の核へとなす工程を含んでいる。そ
の様にして、燃料は、吸入された空気と実質的に未混合
のままとなり、それにより層状充填状態が実現される。
そして、ボール形状の核は、点火源に向かって移動され
る。
【０００９】
【発明の効果】本発明によれば、ピストンの壁面湿潤が
減少する。別のより詳細な本発明の効果として、殆ど又
は全く煤が形成することなく、殆ど完全な燃焼が起こ
る。別の本発明の効果として、ピストンにボールを必要
としないので、エンジンが単純となる。別の効果とし
て、本発明においては、吸入空気のスワール又はタンブ
ル運動が、殆ど又は全く必要とされない。更に別の効果
として、規制対象排出物を削減し得る。本発明の別の効
果として、層状充填状態が起こり得るエンジン負荷範囲
が拡大される。
【００１０】本発明の他の目的及び効果については、こ
の明細書を読むことによって、容易に理解されると思わ
れる。添付の図面を参照し、例を用いて以下に本発明を
説明する。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１と図２に示される内燃機関
（エンジン）１０は、その中に形成されたシリンダー・
ボア１４を有するシリンダー・ブロック１２と、シリン
ダー・ボア１４の中に往復動可能に収容されたピストン
１６を有する。ピストン１６は、略平面状の上部１８を
有する。シリンダー・ヘッド２０が、シリンダー・ブロ
ック１２に対して取り付けられて、シリンダー・ボア１
４の上端２２を囲んで燃焼室２４を形成する。エンジン
１０は、例えば、２つの吸入ポートと２つの排気ポート
を有する、多弁エンジンである。明確にするために、吸
入ポート２６が一つだけ示されているが、これは、シリ
ンダー・ヘッド２０内に設けられ、吸入弁２８を介して
燃焼室２４に連通している。吸入弁の一つの不作動があ
る程度のスワール運動を起し得るものの、本発明によれ
ば、入力ポート２６は、燃焼室２４内において吸入空気
のスワールやタンブル運動を実質的には起さない一般的
な入力ポートである。エンジン１０は又、燃焼室２４内
で空気／燃料の混合気に点火するために、燃焼室２４に
連通するスパーク・プラグ３０を有する。エンジン１０
は更に、燃焼室２４に対して直接燃料を噴射するため
の、軸３４を定義する燃料インジェクター３２を含む。
ここに記載された例において、インジェクター３２はシ
リンダー１４の軸３６に大体沿って位置している。しか
しながら、インジェクター３２が軸３６に一致する必要
は無い。事実、インジェクター３２はシリンダー１４の
側面に取り付けても良く、その場合には側面取付型イン
ジェクターと呼ばれるのが一般的であり、図示の例にお
いては、インジェクター３２は中央取付型インジェクタ
ーである。インジェクター３２はオリフィスを有する先
端部３８を有し、不図示の燃料システムから燃焼室２４
へと燃料を噴射する。
【００１２】エンジン１０は更に、図１に示す制御器４
０とメモリー格納デバイス４２を有する。複数のセンサ
ー４４が、エンジン回転速度、エンジン負荷、点火時
期、ＥＧＲ（排気再循環）率、燃料供給率、エンジンへ
の吸入空気温度、エンジン冷却水温度、吸気マニフォー
ルド絶対圧、スロットル作動位置、車両の変速位置、車
速、吸入空気の質量流量、アクセル・ペダル位置及びこ
の技術分野における当業者に公知であってこの明細書か
ら想起される他のパラメーターなどの、多くのエンジン
作動パラメーターを検出する。
【００１３】本発明によれば、燃料インジェクター３２
は燃料を燃焼室２４に対してインジェクター３２の軸３
４に沿って所定の速度で、又所定の滴寸法により噴射す
る。上死点前約８０度の圧縮工程中に燃料が噴射され
る。図１に示す様に、噴射された燃料は中空のコーン５
０となされ、所定の初期コーン角度θを持つ。従って、
噴射された燃料は、その中で浮遊して壁面湿潤を削減す
る様に、燃焼室２４に対して浅く入る。ピストン１６が
圧縮工程において空気を燃焼室２４の中で次第に圧縮す
るにつれて、上部が略平面状のピストン１６の動きによ
り、燃料コーン５０は図２に示す略ボール形状の核５２
となる。それにより燃料は、吸入ポート２６を通って吸
入された空気と実質的に未混合のままとなり、燃焼室２
４において層状充填状態を実現する。更に、ピストンの
運動により、ボール形状の核５２が点火プラグ３０を囲
んで、燃料が点火され得る様になる。
【００１４】好ましい実施例によれば、ザウター（Ｓａ
ｕｔｅｒ）の平均直径法により計測すると、滴寸法が約
８から１０ミクロンの間にある。燃焼室へと向けて入る
燃料の噴射速度は、インジェクター３２の軸３４に沿っ
て計測されると、約９から１２．５ｍ／ｓである。燃料
コーン５０の初期コーン角度θは約８０から１００度の
間にあり、好ましくは９０度である。
【００１５】燃料インジェクター３４から噴射された、
その様な浅く入る燃料による効果が、図３から図５のグ
ラフにはっきりと示されている。図３において、種々の
コーン角度と滴直径における燃料蒸気質量と燃料噴射速
度との関係が示されている。燃料噴射速度が約１２．５
ｍ／ｓで、滴直径が約１０ミクロンで、コーン角度が約
９０度の条件のもとで、噴射された燃料の９５％以上が
点火時点で蒸発している。これは、ピストン表面１８又
はシリンダー１４の壁面のいずれかの壁面湿潤を避ける
上で、大いに望ましい結果である。
【００１６】図４を参照すると、本発明によりリッチ領
域とリーン領域との間のはっきりした境界５４が得られ
得ることが示されている。図４は点火時点でのリーン領
域における燃料質量と燃料噴射速度との関係を示したグ
ラフであって、ここでリーン領域とは燃料／空気等価比
Ｐｈｉが約０．４未満の領域である。Ｐｈｉは、１４．
６である理論空燃比をリーン領域における所望の空燃比
により除算することによって定義される。この様にし
て、この例において、リーン領域は３６．５（１４．６
が０．４によって除算された値）よりも大きいいかなる
空燃比をも有する。図４を引き続き参照すると、燃料噴
射速度が約１２．５ｍ／ｓで、滴直径が約１０ミクロン
で、コーン角度が約９０度の条件において、リーン領域
における燃料量は約１７％未満である事を見ることが出
来る。これは、点火プラグ３０に最も近くに、充填混合
気の最もリッチな部分を有する、層状充填状態を生成す
る上で、非常に望ましいことである。
【００１７】ここで図５を参照すると、空気／燃料混合
気の燃焼に際してのＰｈｉが２．５以上であるリッチ領
域における燃料質量が示されている。２．５より大きい
Ｐｈｉにおける燃料質量の結果として煤形成の可能性が
高い。１２．５ｍ／ｓの燃料噴射速度で、滴直径が約１
０ミクロンそしてコーン角が約９０度において、リッチ
領域において実質的に燃料がなく、結果として煤が形成
されていないことが判る。本発明によれば、制御器４０
が燃焼室２４内において生成される上述の層状充填状態
と均一充填状態との間で切り換える切り換え点を制御す
る。層状充填状態と均一充填状態との間の切り換えは、
例えば、圧縮工程から吸入工程へと噴射時期を切り換え
ることによって、なされることは、この明細書から、当
業者ならば判るであろう。切り換えは、エンジン全負荷
の約５０％よりも大きい点において起こり、エンジン全
負荷の約６０から７０％の間で起こるとより望ましい。
これは、充填状態がピストン表面１８に形成された限ら
れた容積のボールにより拘束されるのではなく、燃焼室
２４の容積全体によって拘束されるので、比較的大容量
の燃料が壁面湿潤とそれに続く煤形成の可能性無しに供
給されて、上述のように燃焼室２４内で層状充填状態が
生成され得ることによる。
【００１８】前述の様な浅く入る燃料噴射状態を形成す
るために、各々図６と図７に示す、スワール・インジェ
クターやその先端部にディフレクターを有するインジェ
クターを用いても良い事は当業者であれば判るであろ
う。図６は、矢印Ｆ１で示された燃料のスワール運動を
起こすスワール室６０を有するインジェクターの先端部
３８’を示している。スワール運動する燃料は、所望の
滴寸法、噴射速度及び初期コーン角度を実現するため
に、スワール室６０の機能と協働するオリフィス４０’
の大きさによって必ず中空コーンを形成する。
【００１９】図７に移り、インジェクター先端部３８”
は、そこに形成されたディフレクター６４を有する分配
軸６２を有して形成される。前述の様に、ディフレクタ
ー６４は、初期コーン角度θを有する中空コーンを適切
に規定する様に設計される。加えて、オリフィス４０”
は、前述の適切な滴寸法を実現する大きさとされる。
【００２０】発明を実現する最良の態様について詳細に
述べたが、本発明が関連する分野の当業者であれば、特
許請求の範囲に定義された発明を実施する上での種々の
代替案や上述のものを含む種々の実施例を想到するもの
と思われる
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による直接噴射エンジンの断面図であ
る。
【図２】本発明による直接噴射エンジンの断面図であ
る。
【図３】本発明によるエンジンにおける層状充填状態の
特性を示すグラフである。
【図４】本発明によるエンジンにおける層状充填状態の
特性を示すグラフである。
【図５】本発明によるエンジンにおける層状充填状態の
特性を示すグラフである。
【図６】本発明による燃料インジェクターの代替例の断
面図である。
【図７】本発明による燃料インジェクターの代替例の断
面図である。
【符号の説明】
１２ シリンダー・ブロック １４ シリンダー・ボア １６ ピストン １８ ピストンの上部 ２０ シリンダー・ヘッド ２４ 燃焼室 ２６ 吸入ポート ２８ 吸入弁 ３０ 点火源 ３２ 燃料インジェクター ５２ 核
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｄ 41/02 ３２５ Ｆ０２Ｄ 41/02 ３２５Ｇ 41/34 41/34 Ｆ Ｆ０２Ｍ 61/14 ３１０ Ｆ０２Ｍ 61/14 ３１０Ｄ 61/18 ３６０ 61/18 ３６０Ｊ (72)発明者 ジアンウェン、イ アメリカ合衆国ミシガン州カントン、ウイ ンドリッジ・レイン、45948 (72)発明者 ジアリン、ヤン アメリカ合衆国ミシガン州カントン、スピ ニング・ホイール・ドライブ、45677

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 シリンダー・ブロックと、該シリンダー
    ・ブロック内に形成され、長手軸を定義し上端を有す
    る、シリンダー・ボアと、上記シリンダー・ブロックに
    取り付けられ、上記シリンダー・ボアの上端を閉じて燃
    焼室を形成する、シリンダー・ヘッドと、上記シリンダ
    ー・ヘッド内に形成され、吸入弁を介して上記燃焼室と
    連通し、空気を上記燃焼室へと導く吸入ポートと、軸を
    定義し、上記燃焼室へと燃料を噴射し、該燃料が、所定
    の速度と所定の滴寸法とを有し、所定の初期コーン角を
    有する中空コーンへと形成されて、その中で浮遊して壁
    面付着を減少させる様に上記燃焼室に対して浅く入るも
    のである、燃料インジェクターと、上記シリンダー・ボ
    ア内に往復動可能に収容され、エンジンの圧縮工程にお
    いて上記噴射された燃料を略ボール形状の核へとなし、
    該燃料を上記吸入空気とは実質的に未混合のままとし
    て、層状充填状態を実現する上部が略平面状のピストン
    と、上記燃焼室と連通し、上記燃料が点火され得る様に
    上記ボール形状の核により囲まれる点火源とを有する層
    状充填直接噴射火花点火式内燃機関。
JP10267300A 1997-09-08 1998-09-03 直接噴射火花点火式エンジン Pending JPH11153034A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/925,131 US5941207A (en) 1997-09-08 1997-09-08 Direct injection spark ignition engine
US08/925,131 1997-09-08

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DE (1) DE19840102A1 (ja)
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