JPH11303638A - 筒内噴射式内燃機関 - Google Patents
筒内噴射式内燃機関Info
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Abstract
抵抗を低く抑制しつつ、ボウル内スワールの低下による
成層燃焼の悪化を抑制する。 【解決手段】 一対の吸気ポート8a,8bを略直線状
に形成する。一方の第1吸気ポート8aに流入する吸気
量を制限する吸気制御弁15を設ける。開口部12aが
略真円形をなすボウル12を、ピストン外形円に対し吸
気弁側に偏心した位置に凹設する。ボウル12の中で最
も深く凹設された深底部31を、ボウル開口部12aに
対して第2吸気ポート8b側へ偏心させる。
Description
代表される筒内噴射式内燃機関、特に、シリンダ内に生
成されるタンブル成分およびスワール成分を利用して、
均質燃焼と成層燃焼の双方が可能な筒内噴射式内燃機関
の改良に関する。
燃比の混合気を形成していわゆる均質燃焼を行うととも
に、低負荷域では、シリンダ内の一部つまり点火プラグ
近傍のみに比較的濃い混合気を形成して平均的な空燃比
を非常に大きく得るようした成層燃焼を行う筒内噴射式
内燃機関が従来から種々提案されている。
機関としては、例えば、特公平8−35429号公報に
記載のものが知られている。この公報に記載の内燃機関
は、ピストンの頂部に、ピストン外形円に対し偏心した
非円形のボウル(キャビティ)が形成されているととも
に、ピストン上死点付近においてこのボウルへ向けて燃
料を噴射供給できるように燃料噴射弁が配置されてい
る。上記ボウルは、内部に燃料およびスワールを封じ込
めるように、リエントラント型の構成となっている。ま
た、このボウルに強いスワールを生成するために、一対
の吸気ポートの一方の吸気ポートを開閉する吸気制御弁
を備えているとともに、他方の吸気ポートをヘリカルポ
ートとしている。
焼時には、上記吸気制御弁を閉じて一方のヘリカルポー
トのみから新気を導入し、シリンダ内に強いスワールを
生成する。このスワールは、ピストンの上昇に伴ってボ
ウル内に導入されるので、圧縮上死点付近でボウル内に
燃料を噴射することにより、ボウル内で可燃混合気が形
成され、かつ点火プラグ近傍に運ばれる。従って、適宜
な時期に点火を行うことにより、着火燃焼に至ることに
なる。
報の内燃機関のように、他方の吸気ポートをヘリカルポ
ート形状とすると、吸気抵抗が大きくなって、吸気の充
填効率の低下を招き、特に均質燃焼による全開性能の低
下を招いてしまう。
成すると、ボウル内を旋回するボウル内スワールの強さ
が相対的に弱くなってしまう。この結果、成層希薄燃焼
の際に、燃料噴射弁からボウル底面へ向けて噴射される
燃料が、気化されずに液状のままボウルの底面や隅角部
分に付着,滞留し易くなり、点火プラグのくすぶりやス
モークの発生を招く主要な要因となる。
一層高いレベルで両立させることができる筒内噴射式内
燃機関を提供することを目的としている。
は、シリンダ内に摺動可能に設けられたピストンと、シ
リンダヘッドに凹設されたペントルーフ型燃焼室と、こ
の燃焼室に設けられた一対の吸気弁および一対の排気弁
と、上記一対の吸気弁に対応して上記シリンダヘッドに
形成された略直線状をなす一対の吸気ポートと、一方の
吸気ポートに流入する吸気量を制限する吸気制御弁と、
シリンダ略中央に配設される点火プラグと、シリンダ略
中央を指向した姿勢で吸気弁側に配置され、シリンダ内
に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、を有し、シリンダ
内にタンブル流成分を付与した状態で吸気行程付近で燃
料噴射を行うことにより均質燃焼を実現するとともに、
シリンダ内にスワール成分を付与した状態で圧縮行程付
近で燃料噴射を行うことにより成層燃焼を実現するよう
にした筒内噴射式内燃機関において、上記ピストンの頂
部に、上記ペントルーフ型燃焼室の排気弁側の傾斜面に
略平行となるように傾斜した排気弁側傾斜面およびペン
トルーフ型燃焼室の吸気弁側の傾斜面に略平行となるよ
うに傾斜した吸気弁側傾斜面が形成されるとともに、開
口部が略真円形をなすボウルが、ピストン外形円に対し
吸気弁側に偏心した位置に凹設され、このボウルの中で
最も深く凹設された深底部が、上記ボウル開口部に対
し、上記吸気制御弁が設けられていない他方の吸気ポー
ト側へ偏心していることを特徴としている。
側傾斜面とを有するピストン頂部が、ピストン上死点に
おいて、シリンダヘッド側の燃焼室内に入り込むように
なっており、両者間の空間は非常に小さなものとなる。
成層燃焼時には、吸気制御弁により一方の吸気ポートを
閉じ、他方の吸気ポートから流入する吸気によって、シ
リンダ内にスワールが生成される。このスワールは、ピ
ストンの上昇に伴ってボウル内に封じ込められるが、ボ
ウルの開口部が略真円形であるため、十分なスワールを
ボウル内に確保できる。そして、上死点近傍で燃料がボ
ウルへ向けて噴射されることにより、成層燃焼を実現で
きる。ここで、燃料噴射弁からシリンダ略中央の点火プ
ラグへ向かって噴射された燃料噴霧は、実際には、ボウ
ル内スワールによって僅かに曲げられ、ボウル内で最も
深く凹設された深底部へ向かって進む形となる。この結
果、燃料噴射弁からピストンとの衝突に至るまでの燃料
噴霧の衝突距離が大きくなり、燃料の霧化時間が十分に
確保される。従って、燃料噴霧の大半は深底部に到達す
る前にボウル内スワールに乗って拡散,気化される。
れており、一対の吸気ポートからシリンダ内に流入した
新気によってタンブル流が生成され、かつ吸気行程付近
で燃料が噴射される。このタンブル流によってボウル内
の燃料の滞留が防止され、均質な混合気による均質燃焼
を実現できる。ここで、両吸気ポートはいずれも略直線
状に形成されているため、吸気抵抗が低く抑制される。
従って、吸気の充填効率が高くなり、全開性能の向上を
図ることができる。
求項2の発明は、上記深底部に滑らかに連続する側壁部
が、滑らかに湾曲しつつ上記開口部へ接続していること
を特徴としている。
ウルの底面と側壁面との間に形成される隅角部分が実質
的に消失する形となるから、隅角部分に滞留する未燃燃
料が抑制される。この結果、スモークの発生やそれに伴
う点火プラグのくすぶりが抑制される。
のように、上記一方の吸気ポート側の領域の曲率が上記
他方の吸気ポート側の領域の曲率よりも小さく設定され
ている。
気ポート側領域の曲率が相対的に小さくなっていると、
点火プラグのスワール下流側の領域が、緩やかに湾曲し
た形状で広く延在する形となる。従って、仮に成層燃焼
時に燃料噴霧が気化されずに液状のままボウルの深底部
や側壁部に付着したとしても、この未燃燃料は、ボウル
内スワールに乗って上記点火プラグのスワール下流側領
域へ流れ込み、薄い液膜となって広い範囲に拡散される
ため、良好に気化,蒸発される。この結果、スモークの
発生やそれに伴う点火プラグのくすぶりが抑制される。
からの燃料噴霧が上記深底部へ向かうように、機関の運
転条件に応じて上記吸気制御弁の開度を調整する開度調
整手段を有することを特徴としている。
からの燃料噴霧が上記深底部へ向かうように、機関の運
転条件に応じて上記噴射燃圧を調整する燃圧調整手段を
有することを特徴としている。
れば、一対の吸気ポートが略直線状に形成されているた
め、吸気抵抗が低く抑制され、吸気の吸入効率が向上
し、特に均質燃焼時の全開性能が向上する。
層燃焼時には、燃料噴霧が深底部へ向かう形となり、ピ
ストンに衝突するまでの衝突距離を十分大きく確保する
ことができる。この結果、燃料の霧化時間が長くなって
燃料液膜の形成が抑制され、スモークの発生やそれに伴
う点火プラグのくすぶりを防止することができる。
薄燃焼とを一層高いレベルで両立させることができる。
に残留する未燃燃料の量を更に抑制できる。
着した未燃燃料が更に確実に拡散,気化される。
からの燃料噴霧が更に確実に深底部へ向かうようにな
り、常に良好な成層燃焼を実現できる。
形態を図面に基づいて詳細に説明する。
1には、複数のシリンダ3が直列に配置されており、そ
の上面を覆うように、シリンダヘッド2が固定されてい
る。上記シリンダ3内には、ピストン4が摺動可能に嵌
合している。また、上記シリンダヘッド2に凹設された
燃焼室11は、いわゆるペントルーフ型に構成されてお
り、その一方の傾斜面11aに一対の吸気弁5が、他方
の傾斜面11bに一対の排気弁6がそれぞれ配置されて
いる。そして、これらの一対の吸気弁5および一対の排
気弁6によって囲まれたシリンダ3の略中心位置に、点
火プラグ7が配置されている。
5にそれぞれ対応する一対の吸気ポート8a,8bが、
互いに独立して形成されている。つまり、この一対の吸
気ポート8a,8bは、シリンダヘッド2内で合流せ
ず、それぞれシリンダヘッド2側面において独立して開
口している。また上記排気弁6に対応して排気ポート9
が形成されている。
吸気弁5側のシリンダ3側壁寄りのシリンダヘッド2下
面部に配置されており、その中心軸が斜め下方へ向かっ
た姿勢で取り付けられている。また燃料噴射弁10は、
図2に示すように、上記2つの吸気弁5の間に配置さ
れ、点火プラグ7が位置するシリンダ3中心ヘ噴霧軸線
が指向している。
の頂部には、後述するように、吸気弁5側に偏心した位
置に、略半球状のボウル12が凹設されており、ピスト
ン4が上死点近傍にあるときに、上記燃料噴射弁10の
噴霧軸線がこのボウル12を指向するようになってい
る。
れぞれ吸気マニホルド13側に独立して形成された一対
の吸気通路14a,14bに接続されている。そして、
図2で左方の第1吸気ポート8aに接続する吸気通路1
4a内には、この吸気通路14aを開閉するバタフライ
バルブ型の吸気制御弁15が介装されている。この吸気
制御弁15は、シャフト16を介して図示せぬ駆動機構
により機関運転条件に応じて開閉制御される。なお、上
記吸気制御弁15が閉じた状態では、第1吸気ポート8
aへの吸気の流入が遮断され、他方の吸気通路14bに
連なる第2吸気ポート8b(図2の右方)のみを通して
新気が流入するのであるが、この第2吸気ポート8b
は、ヘリカルポートではなく、略直線状のポート形状を
なしている。つまり、この実施例では、両吸気ポート8
a,8bが共に直線形状をなしている。
単に説明すると、先ず、機関の全負荷時あるいは希薄燃
焼域の中でも比較的空燃比が小さな領域では、シリンダ
3内に均質な混合気を形成して点火する均質燃焼が行わ
れる。この均質燃焼時には、上記吸気制御弁15は、開
状態に制御され、一対の吸気ポート8a,8bの双方か
らシリンダ3内へ新気が導入される。これにより、シリ
ンダ3内には、強いタンブル流(縦渦)が生成される。
また、燃料は、吸気行程中にシリンダ3内に噴射供給さ
れる。この燃料は、タンブル流によってシリンダ3内で
積極的に拡散され、ボウル12内に滞留することなく均
質化が促進される。
気抵抗の小さい直線形状をなしており、充填効率並びに
全開性能の向上が図られている。。
きくする希薄燃焼域では、混合気の成層化により確実な
着火を可能とする成層希薄燃焼を行う。この成層希薄燃
焼時には、上記吸気制御弁15が閉じられ、第2吸気ポ
ート8bのみからシリンダ3内に新気が流入する。これ
により、シリンダ3内では、タンブル成分が相対的に弱
められ、かつ水平方向に沿ったスワールS1(図5参
照)が強く生成される。そして、この成層希薄燃焼の際
には、燃料は、圧縮行程の後半において燃料噴射弁10
からボウル12へ向けて噴射される。この噴射された燃
料は、ピストン4頂部のボウル12内に封じ込められた
ボウル内スワールS2(図5参照)に乗って点火プラグ
7側へ移動し、点火プラグ7周辺に着火可能な混合気を
形成するので、適宜なタイミングで点火することによ
り、着火燃焼が可能となる。
ン4の構成、特にその頂部の構成を詳細に説明する。
て、ボウル12がシリンダ3内の空間の大部分を占める
ように、その頂部に凸部21が設けられている。この凸
部21は、基本的に4つの面から構成されている。すな
わち、シリンダヘッド2側のペントルーフ型燃焼室11
を構成する2つの傾斜面11a,11bに対し略平行な
平面からなる吸気弁側傾斜面22および排気弁側傾斜面
23と、ピストン4の外形円と同心の円錐面からなる一
対の円錐形側面24,25とによって、凸部21が構成
されている。
5の円錐の頂角は、比較的小さく、図4に示すように、
円錐形側面24,25は、切り立ったものとなってい
る。そして、これに伴い、凸部21の尾根部分はピスト
ンピン軸方向に沿ってピストン4外形円近くまで延びて
いる。これによって、ピストン4が上死点にあるとき
に、上記円錐形側面24,25とシリンダヘッド2側燃
焼室11との間に生じるクリアランスが非常に小さなも
のとなっており、シリンダ3内に残る容積の大部分をボ
ウル12が占有する。
平面26が形成されている。この環状水平面26は、ピ
ストン4の中心線と直交する一つの平面から構成されて
いるものであり、ピストン4の全周に亙って細い環状に
連続している。
傾斜面22を中心とした範囲に凹設されている。このボ
ウル12の開口部12aは、ピストン4の平面上で見
て、真円形をなし、かつピストン4の半径よりも僅かに
大きい直径を有していて、その一部が排気弁側傾斜面2
3に差しかかっている。なお、ピストン4が上死点にあ
るときに、図1,2に示すように、点火プラグ7がボウ
ル12内に入り、かつその外周部に位置するように配置
されている。
設された深底部31が、図2,3に示すように、ボウル
12の開口部12aに対して、吸気制御弁15が設けら
れていない第2吸気ポート8b側へ偏心している。つま
り、深底部31は、ピストン4中心線と直交する面に沿
っており、かつ、ボウル開口部12aよりも小さい略真
円形をなし、点火プラグ7に対してボウル内スワールS
2の上流側となる略半円形の領域内に配置されている。
なお、深底部31は、ピストンピン軸方向ではボウル開
口部12aと同軸上(図3のA−A線上)に配置されて
いる。
ように、圧縮行程中に噴射された燃料噴霧が進む方向に
形成されている。なお、燃料噴霧は、燃料噴射弁10か
ら点火プラグ7へ向けて噴射されるのであるが、ボウル
内スワールS2によって曲げられる結果、図示するよう
に、深底部31側へ向かうことになる。
2aとを接続する側壁部32は、滑らかに湾曲する形状
をなしている。なお、図面では深底部31と側壁部32
との間に稜線が描かれているが、実際には深底部31と
側壁部32とは滑らかに連続している。すなわち、ボウ
ル12は実質的に1つの滑らかな湾曲面からなる略椀状
に形成されており、深底部31と側壁部32との隅角部
分はほとんど存在していない。
へ偏心している関係で、ボウル12の側壁部32は、図
4にも示すように、第1吸気ポート8a側の領域33の
曲率が第2吸気ポート8b側の領域34の曲率よりも小
さく設定されている。言い換えると、点火プラグ7に対
してボウル内スワールS2の下流側に位置する領域33
が、相対的に緩やかな湾曲形状で広く延在する形となっ
ている。
に、成層燃焼時にシリンダ3内に生成されたスワールS
1が、ピストン4の上昇に伴って、真円形をなすボウル
12内にスムースに案内され、十分な強さを保ったまま
保存される。そして、圧縮行程後半においてボウル12
へ向けて燃料が噴射された後、ピストン4が上死点に近
づくと、ボウル12を有する凸部21の各面が、シリン
ダヘッド2側の対応する面にそれぞれ近接するため、ボ
ウル12が全周に亙って良好にシールされた状態とな
る。従って、ボウル12内に導入されたボウル内スワー
ルS2や混合気が外部へ漏出せずにこのボウル12内で
燃焼が進行する。
へ向かって噴射された燃料噴霧は、図5,図6(a)に
示すように、ボウル内スワールS2によって僅かに曲げ
られ、ボウル12の形状に沿うように、ボウル12の中
で最も深く凹設された深底部31へ向かう。そして燃料
噴霧は、図6(b)にも示すように、ボウル内スワール
S2に乗って適宜に気化されながら点火プラグ7側へ移
動し、点火プラグ7周辺に可燃混合気を形成する。この
ように、ボウル12の深底部31に燃料噴霧が向かうこ
とで、燃料噴射弁10からピストン4との衝突に至るま
での燃料噴霧の衝突距離が大きくなり、燃料の霧化時間
が十分に確保されて、燃料液膜の形成が抑制される。従
って、スモークの発生やそれに伴う点火プラグ7のくす
ぶりが抑制される。
6(b),(c)に示すように、ボウル内スワールS2
に乗って、大きく延在するスワールS2下流側の領域3
3へ良好に拡散される。従って、仮に燃料噴霧が液状の
まま深底部31や側壁部32の第2吸気ポート側領域3
4に付着した場合であっても、下流側の領域33へ拡散
される間に薄膜化されて良好に気化される。
らの燃料噴霧が深底部31へ確実に向かうように、運転
条件に応じて吸気制御弁15の開度並びに燃料噴射弁1
0の噴射燃圧を可変制御している。
チャートは、図外のコントロールユニットにより実行さ
れるもので、先ずステップ(図ではSと略記する)10
では、機関回転数Ne,負荷(スロットル開度),並び
に水温等の内燃機関の運転条件が読み込まれる。続くス
テップ12では、読み込まれた運転条件に基づいて、成
層希薄燃焼を行う成層モードか均質燃焼を行う均質モー
ドかが判定される。均質モードの場合には、ステップ1
4へ進み、上記機関回転数,負荷等の運転条件をパラメ
ータとして個別に設定された均質マップを参照して、燃
料噴射時期(IT),点火時期(ADV),空燃比(A
/F),並びに排気還流率(EGR)が設定される。な
お、上記の均質マップは、例えば上記コントロールユニ
ットのメモリ内に予め格納されている。
れた均質マップを参照して、吸気制御弁15の開度並び
に燃料噴射弁10の噴射燃圧がそれぞれ設定される。そ
して、ステップ22へと進み、上記ステップ14,16
での設定値に基づいて、燃料噴射や点火動作等が実行さ
れる。
判定された場合、ステップ18へ進み、上記の均質マッ
プとは別個に設定された成層マップを参照して、それぞ
れIT,ADV,A/F,EGRが設定され、同様にス
テップ20では、吸気制御弁15の開度並びに燃料噴射
弁10の噴射燃圧が設定される。具体的には、吸気制御
弁15は、図8に示すように、機関回転数が大きくなる
に随って徐々に開くように設定される。また噴射燃圧
は、図9に示すように、機関回転数が大きくなるに随っ
て徐々に高くなるように設定される。
18,20での設定値に基づいて、燃料噴射や点火動作
等が実行される。
応じて吸気制御弁15の開度や噴射燃圧を調整して、燃
料噴射弁10からの燃料噴霧がより確実にボウル12の
深底部31へ向かうようにしているから、常に安定した
成層燃焼を実現することができる。
の構成を示す縦断面図。
説明図。
図。
ート。
との関係を示す特性図。
を示す特性図。
Claims (5)
- 【請求項1】 シリンダ内に摺動可能に設けられたピス
トンと、シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ型燃
焼室と、この燃焼室に設けられた一対の吸気弁および一
対の排気弁と、上記一対の吸気弁に対応して上記シリン
ダヘッドに形成された略直線状をなす一対の吸気ポート
と、一方の吸気ポートに流入する吸気量を制限する吸気
制御弁と、シリンダ略中央に配設される点火プラグと、
シリンダ略中央を指向した姿勢で吸気弁側に配置され、
シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、を有
し、シリンダ内にタンブル流成分を付与した状態で吸気
行程付近で燃料噴射を行うことにより均質燃焼を実現す
るとともに、シリンダ内にスワール成分を付与した状態
で圧縮行程付近で燃料噴射を行うことにより成層燃焼を
実現するようにした筒内噴射式内燃機関において、 上記ピストンの頂部に、上記ペントルーフ型燃焼室の排
気弁側の傾斜面に略平行となるように傾斜した排気弁側
傾斜面およびペントルーフ型燃焼室の吸気弁側の傾斜面
に略平行となるように傾斜した吸気弁側傾斜面が形成さ
れるとともに、開口部が略真円形をなすボウルが、ピス
トン外形円に対し吸気弁側に偏心した位置に凹設され、 このボウルの中で最も深く凹設された深底部が、上記ボ
ウル開口部に対し、上記吸気制御弁が設けられていない
他方の吸気ポート側へ偏心していることを特徴とする筒
内噴射式内燃機関。 - 【請求項2】 上記深底部に滑らかに連続する側壁部
が、滑らかに湾曲しつつ上記開口部へ接続していること
を特徴とする請求項1に記載の筒内噴射式内燃機関。 - 【請求項3】 上記側壁部は、上記一方の吸気ポート側
の領域の曲率が上記他方の吸気ポート側の領域の曲率よ
りも小さく設定されていることを特徴とする請求項2に
記載の筒内噴射式内燃機関。 - 【請求項4】 上記燃料噴射弁からの燃料噴霧が上記深
底部へ向かうように、機関の運転条件に応じて上記吸気
制御弁の開度を調整する開度調整手段を有することを特
徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の筒内噴射式内
燃機関。 - 【請求項5】 上記燃料噴射弁からの燃料噴霧が上記深
底部へ向かうように、機関の運転条件に応じて上記噴射
燃圧を調整する燃圧調整手段を有することを特徴とする
請求項1〜4のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関。
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