JPS62162722A

JPS62162722A - 筒内直接噴射式火花点火機関

Info

Publication number: JPS62162722A
Application number: JP418386A
Authority: JP
Inventors: Shizuo Sasaki; 静夫佐々木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1986-01-14
Filing date: 1986-01-14
Publication date: 1987-07-18
Anticipated expiration: 2010-02-15
Also published as: JPH0713461B2

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、ピストン頂部に凹部を形成して燃焼室を設け
、該燃焼室に燃料噴射ノズルと点火プラグを臨ませ、筒
内に直接燃料を噴射させスパークさせて燃焼させるよう
にしたスパークアシスト弐の筒内直接噴射式火花点火機
関に関する。

〔従来の技術〕

燃料を筒内に直接噴射し、火花点火を行なう工ンジンに
おいて、燃料のほとんどすべてを燃焼室壁面に付着また
は衝突させた後、壁面から蒸発してくる燃料に点火し、
燃焼させる筒内直接噴射式火花点火エンジンは知られて
いる。（たとえば、特開昭５２−１）３４１２号公報、
特開昭５４−８９１）１号公報、特開昭５５−１６４７
２３号公報、実開昭５６−６５１２７号公報、実開昭５
７−２０５２８号公報、実開昭５７−２２６２６号公報
、実開昭５７−２８１）９号公報）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

燃料のほとんどすべてを壁面に付着させそれを蒸発させ
て着火する燃焼方式は、着火性について最も有利である
ため、低負荷域においては、燃料噴射量が少ないことも
あいまって、緩慢な燃焼が可能となり、振動騒音の小さ
い運転が可能であるが、高負荷域においては、燃料噴射
量が多いので、噴射時期を進めた場合には燃焼が衝撃的
になり、騒音ＮＯｘの増大、ならびに燃焼圧上昇に伴な
うエンジン補強によるエンジン重量の増加が問題となる
。一方、噴射時期を遅らせた場合には、スモークの発生
が多く、そのため燃焼室内の空気流動（スワール・スキ
ッシュ）に大きく依存しなければならず、高スワール化
に伴なう高速体積効率ηＶの低下による出力不足、ある
いは上死点スワール強化のための燃焼室深さの増大に伴
なうピストン重量の増加によるフリクシラン増大の問題
があった。

本発明は、筒内直接噴射式火花点火機関において、低負
荷領域における燃焼のを利性を維持したまま、高角？ｉ
ｉ　Ｍ域における燃焼をより適正にすることを目的とす
る。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するための本発明の筒内直接噴射式火花
点火機関は、ピストン頂部に凹部を設けることにより燃
焼室を形成し、該燃焼室に燃料噴射ノズルを臨ませて燃
料を筒内に直接噴射し、燃焼室に点火プラグを臨ませた
筒内直接噴射式火花点火機関において、前記ピストン頂
部に設けた燃焼室を浅皿部と該浅皿部の中央付近に形成
された浅皿部よりも小径の深皿部との二層構造とし、燃
料噴射ノズルに、微粒化の抑制されたソリッド流を形成
する噴孔と微粒化の促進された噴霧を形成する噴孔との
、２種類の噴孔を設けたものから成る。

上記筒内直接噴射式火花点火機関では、望ましくは次の
構造がとられる。

まず、ソリッド流噴射を、微粒化の促進された噴霧の噴
射より先立つかあるいは同時に噴射するようにする。

また、ソリッド流を噴射する噴孔の噴霧角および噴射方
向を、ソリッド流がほとんどすべて燃焼室深皿部の内壁
に付着するように設定するとともに、微粒化が促進され
た噴霧を形成する噴孔の噴射角および噴射方向を、高微
粒化噴霧が燃焼室浅皿部に広く分散するように設定する
。

さらに、燃料噴射ノズルのニードルリフト量を負荷に対
応して制御し、軽負荷域ではソリッド流のみを噴射させ
、高負荷域ではソリッド流と高微粒化噴霧の双方を噴射
するようにする。

〔作用〕

本発明の筒内直接噴射式火花点火機関においては、軽負
荷域では噴射方向が浅皿部に向くよう噴射時期および噴
霧角を設定した噴孔から、比較的高い貫徹力を有するソ
リッド流のみを噴射することによってほとんどすべての
燃料を深皿部の壁面に付着させることにより、壁面蒸発
燃焼を行わせる一方、中、高負荷域では噴射初期に噴射
される燃料を深皿部に噴射するとともに、強い貫徹力で
噴射する。このソリッド流の一部は深皿燃焼室において
スワール流と混合しながら点火プラグにより点火され、
最初に燃焼するとともに、ソリッド流の他の部分は深皿
燃焼室内において可燃混合気を形成する。続いてクラン
ク角度の進行とともに噴射ノズルのニードルリフト量が
増し、噴霧角が太き（微粒化が促進された噴霧が主とし
て浅皿部に向けて噴射され、浅皿部で気流中に拡散して
予混合気を形成し、前記の深皿部分での燃焼にひき続い
て、比較的燃焼速度の早い予混合燃焼を行なう、これに
よって、軽負荷域では、従来と同様壁面蒸発燃焼が行な
われて有利な燃焼が確保され、中、高負荷域では深皿部
において壁面蒸発燃焼と可燃混合気の形成が行なわれる
とともに、浅皿部において予混合気が形成されて空気利
用率が高められ、予混合燃焼と壁面蒸発燃焼の双方によ
る燃焼によって燃焼が速やかになり、燃焼改善、出力増
加、スモークの低減、高速性能の改善、低セタン価燃料
の使用可能化、騒音低減、エンジン軽量化、ピストンフ
リクション低減等の種々の作用効果が得られる。

〔実施例〕

以下に、本発明に係る筒内直接噴射式火花点火機関の望
ましい実施例を、図面を参照して説明する。以下の説明
においては、燃焼室の構造、燃料噴射を多段に変える燃
料噴射ノズルのニードルの構造およびそのリフト態様を
第１実施例として説明し、ニードルの別の構造とそのリ
フト態様を第２実施例として説明し、ニードルの駆動制
御構造のさらに別の例を第３実施例として説明する。第
１実施例は、第２実施例および第３実施例の何れと部分
的におきかえられてもよい。

第１実施例第１図は本発明の第１実施例を示している０図において
、内燃機関のシリンダボアに摺動自在に挿入されるピス
トンｌの頂部には、上部に向って開放したキャビティ２
が形成され、該キャビティはピストン、シリンダボア、
シリンダヘッドとで囲まれた空間から形成される燃焼室
の一部をｉｌ成する。ピストン１頂部のキャビティ２か
らなる燃焼室部分は、ピストン１の外径よりは小径であ
るが比較的大径の浅皿部３によって形成されるキャビテ
ィ２ａと、浅皿部３の中央に形成された浅皿部３より小
径でかつ深さの深い深皿部４によって形成されるキャビ
ティ２ｂとから成る。記号Ｚは浅皿部３と深皿部４の交
点で、周方向に延びている。

シリンダヘッドには、燃料噴射ノズル５がキャビティ２
に向って燃料を噴射する角度をもって配設されており、
また、深皿部４の上方に点火プラグ６が配設されている
。燃料噴射ノズル５は燃料を直接筒内に噴射し、点火プ
ラグ６の点火によって着火させる。これによって筒内直
接噴射式火花点火機関を構成している。深皿部４の壁面
７には、流れを点火プラグ６のギャップ位置迄導く溝８
が形成されている。

燃料噴射ノズル５は、ビントークスノズルの場合を例に
とって示した第２図に示すように、２種類の噴孔９．１
０を有している。第１の噴孔９は、拡散しにくく比較的
貫徹力の強いソリッド流を噴射する噴孔であり、第２の
噴孔１０は、第１の噴孔９と同等のを効断面積をもち、
噴霧角が広く微粒化が促進された噴流を噴射する噴孔で
ある。第１の噴孔９の噴射方向および噴霧角は、燃料を
深皿部４に向けて噴射するように設定されており、第２
の噴孔１０の噴射方向および噴霧角は、燃料を浅皿部３
に向けて噴射するように設定されている。

燃料噴射ノズル５の２種類の噴射９．１０は、ニードル
１）によって開閉を制御され、ニードル１）がリフトし
ていくとき、噴孔９が噴孔１０より先に開くかまたは同
時に開き、ソリッド流の噴射が微粒化が促進された燃料
の噴射に先立つか同時に行なわれるように、噴孔位置が
設定されている。

ニードル１）のリフト、したがって第１の噴孔９からの
噴射と第２の噴孔１０からの噴射は、負荷に対応して制
御される。すなわち、エンジンの軽負荷域では第１の噴
孔９のみから噴射させ、エンジンの中、高負荷域ではさ
らにニードル１）のリフト量を増して第１の噴孔９と第
２の噴孔１０との両方から噴射させる。ただし、前記の
ように、第１の噴孔９からの噴射は、第２の噴孔１０か
らの噴射に先立つか同時に行なわれる。第３図（イ）、
（ロ）は軽負荷域と、中、高負荷域とにおけるニードル
リフトおよび噴射率を示している。

再び第１図に戻って燃料噴射の態様を説明する。

実際は、燃料噴射ノズル５はシリンダヘッドに固定され
て、ピストン１が上下に動くが、第１図は、燃焼の初期
と後期との状態を区別するために、ピストン１と燃料噴
射ノズル５の相対位置を示しており、ピストン１を固定
して燃料噴射ノズル５のピストン１に対する相対位置を
示している。燃料噴射ノズル５のピストン１に対する位
置Ａは、噴射初朋の状態を示しており、位置Ｂは、噴射
後期の状態を示している。軽負荷域では、噴射の初期Ａ
、＆朋Ｂを問わず、第１の噴孔９からソリッド流のみが
深皿部４に向けて噴射される。中、高負荷域では、噴射
初１ｔｌｌＡには、燃料噴射ノズル５からの燃料噴射は
、第１の噴孔９から拡散しない噴霧角で噴射され、また
は第１の噴孔９と第２の噴孔１０とから噴射され、噴射
後３１）１Ｂには、燃料噴射ノズル５からの燃料噴射は
、第１の噴孔９と第２の噴孔１０の両方から噴射される
。

第４図は、燃料噴射タイミングおよび燃料噴射ノズル５
の第１の噴孔９、第２の噴孔１０の開閉を制１ＩＩｌす
る装置を示している。燃料タンク１）からの燃料を燃料
ポンプ１２によって送り、燃料噴射ノズル５内の圧力を
ある一定の高い値に設定するとともに、エンジンスピー
ド１３およびアクセル開度１４をインプットとして、あ
らかじめセントされたプログラムに従いコンビエータ（
ＣＰＵ）１５を作動し、駆動装置１６に電圧を発生させ
、その電圧によってピエゾアクチュエータ１７が作動し
、燃料噴射ノズル５のニードル１）が電圧に比例した量
だけリフトし、リフト量を制御する。

燃料噴射ノズル５は、第５図に示すようなピエゾ圧電素
子駆動のものを用いることができる。図中弁本体１８に
は、燃料流入口１９に接続した燃料通路２０が設けられ
、該燃料通路２０の先端の噴孔９゜ｌＯはニードル１）
によって開閉される。ニードル１）は制御ロフト２１と
、下方に向かうばね２２の力を受ける加圧ピン２３を介
して下方に付勢されており、ニードル１）の受ける燃料
圧によって上方に付勢される。通常は下方に向かう力の
方が上方に向かう力より大のため、噴孔９，１０は閉じ
られている。

制御ロッド２１は加圧室２４にかかる圧力を受圧面２５
に受けており、油圧ピストン２６を作動させて加圧室２
４の圧力を制御することにより上昇される。油圧ピスト
ン２６はピエゾ圧電素子２７を有するピエゾアクチュエ
ータ１７によって作動され、ピエゾ圧電素子２７に電圧
がかかったときに生じる電歪効果によるストロークによ
って移動される。ピエゾ圧電素子２７に電圧がかかると
長手方向に延び、油圧ピストン２６を図中左方に移動さ
せ、加圧室２４の圧力を高め、制御ロッド２１をもち上
げ、ニードル１）の押え力を小にしてニードル１）を燃
料圧でリフトさせ、噴孔９または噴孔９と１０を開いて
、燃料を噴射させる。ニードル１）のリフトは、ピエゾ
アクチュエータ１７にかかる電圧を駆動装置１６の発生
電圧をコンピュータ１５で制御することによって制御し
、電圧を多段にかえで噴孔９のみを開いたり、噴孔９と
１０の両方を開く。ピエゾ圧電素子２７の応答性は８０
μｓｅｃ程度であり、この制御を十分に達成できる。

つぎに、第１実施例における作用について説明する。

まず、軽負荷域では、エンジンスピード１３、アクセル
開度１４の信号からコンピュータ１５が軽負偕であるこ
とを判断して、駆動装置１６の発生電圧を小にして、ピ
エゾアクチュエータ１７のストロークを小にして、油圧
ピストン２６の移動量を小にして、ニードル１）を第１
の噴孔９が開く量だけリフトさせる。この状態が第２図
（イ）である。このとき燃料は第１の噴孔９のみから、
ソリッド流として噴射され、深皿部４の壁面７に付着さ
れ、主に深皿部４のキャビティ２１において壁面蒸発燃
焼が行なわれる。このため、燃料の過度の分散による燃
焼不安定が防止できる。

つぎに、中、高負荷域では、コンピュータ１５が中、高
負荷であることを判断する。はじめは、コンピュータ１
５は、駆動装置１６の発生電圧を小にして、ピエゾアク
チェエータ１７のストロークを小にし、油圧ピストン２
６の移動量を小にして加圧室２４の加圧度合を小にし、
ニードル１）を第１の噴孔９が開く量だけリフトさせる
。この状態は第２図（イ）である。燃焼初期が過ぎると
、コンピュータ１５は、駆動装置１６の発生電圧を増加
させ、ピエゾアクチュエータ１７のストロークを大にし
、油圧ピストン２６の移動量を大にして加圧室２４の加
圧度合を大にし、ニードル１）を第１の噴孔９と７１！
、２の噴孔１０が開く量だけリフトさせる。この状態が
第２図（ロ）である。このとき、燃料は第１の噴孔９と
第２の噴孔１０との両方から噴射される。このような中
、高負荷域における多段噴射においては、はじめにソリ
ッド流２８が深皿部４の壁面７に付着するように噴射さ
れる。このソリッド流２８の一部は、深皿部４に設けら
れた溝８に導かれてスワール流２９と混合しながら点火
プラグ６の付近に移動し、点火プラグ６により点火され
、最初に燃焼するとともに、ソリッド流２８の他の部分
は、深皿燃焼室２６内において可燃混合気を形成する。

つぎにクランク角度の進行とともに、第２の噴孔１０も
開かれ、第２の噴孔１０からは噴霧角が大きく微粒化が
促進される燃料３０が主として浅皿部３に向けて噴射さ
れる。この燃料３０は、浅皿部３のキャビティ２ａ内に
おいて気流中に拡散し予混合気を形成し、深皿部４での
燃焼にひきづづいて、比較的燃焼速度の早い予混合燃焼
を行なう、したがって燃焼が速やかになるとともに、キ
ャビティ２ａ内の空気も利用されて、空気利用率が高ま
り、出力も向上される。また、全噴孔から燃料が噴射さ
れるので噴射率も大であり、その意味からも出力が向上
される。中、高負荷域の後期燃焼は深皿部４での壁面痕
発燃焼と；１皿部３における予混合燃焼の両方が行なわ
れ、燃焼は速やかであり、予混合燃焼が遅れて行なわれ
るので、空中で予混合気となった燃料の自発火による燃
焼衝撃が暖和され、騒音が低下されるとともに、ピスト
ンを強度上薄くでき、軽量化、フリクションロスも軽減
される。

高速域においては、はじめから第１の噴孔９と第２の噴
孔１０が開かれてもよいが、この場合は、上記の効果が
うすめられる。

第２実施例第６図（イ）、（ロ）は本発明の第２実施例を示してい
る０本実施例の第１実施例と異なるところは、燃料噴射
ノズルの噴孔とニードルの先端部の構造であり、他は第
１実施例に準じるので、準じる部分には第１実施例と同
一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についての
み説明する。

第２実施例においては、ニードル１）の先端にソリッド
流２８を噴射する第１の噴孔９Ａが設けられ、燃料噴射
ノズル５の本体の先端に第２の噴孔１０Ａが設けられる
。第１の噴孔９Ａはニードル１）が本体のテーパ面３１
に圧着されているときは閉じられ、ニードル１）がリフ
トしたときに開かれる。第６図（イ）はソリッド流２８
のみが噴射されているときの状態を示し、軽負荷時また
は高負荷時の燃焼初期の状態を示している。第２の噴孔
１０Ａは、ニードル１）がさらにリフトされたときに開
かれ、第６図（ロ）がその状態を示している。第６図（
ロ）は第１の噴孔９Ａから噴射されるソリッド流２８と
第２の噴孔ＩＱＡから噴射される噴霧角の広い噴射３０
との両方が噴射されている状態を示しており、高負荷時
の燃焼後期または高負荷時の噴射状態を示している。第
２実施例の作用は第１実施例に準じる。

第３実施例第７図、第８図は本発明の第３実施例を示しており、燃
料噴射ノズル５のリフト制御の他の例を示している。第
７図において、燃料噴射ノズル５は、弱いばね力のスプ
リング３２と強いばね力のスプリング３３との２つのス
プリングをもっており、これらのスプリング３２．３３
はニードル１）を下方に付勢して噴孔９．１０を常時閉
じるように付勢している。燃料流入口３４には燃料が機
械的に押し込まれる。燃料は燃料ポンプがクランク軸と
連動されて駆動されるため、低速、軽負荷時には比較的
低い圧力を有し、該低い圧力で弱いスプリング３２のみ
が撓んでニードルリフトを小にし、第１の噴孔９のみを
開き、ソリッド流２８のみを噴射させる。

高速、高負荷時には燃料は比較的高い圧力を有し、該高
い圧力で弱いスプリング３２と高いスプリング３３の両
方が撓んでニードルリフトを大にし、第１の噴孔９と第
２の噴孔１０の両方を開き、ソリッド流２８と噴霧角の
大きな噴射燃料３０との両方を噴射させる。

第８図は、第３実施例におけるクランク角とポンプ内圧
およびニードルリフトとの関係を示している。この場合
、高負荷においては、燃焼初期と燃焼後期との噴射量の
変更は行なわれない。その他の構成、作用は第１実施例
または第２実施例に準じる。

（発明の効果〕本発明に係る筒内直接噴射式火花点火機関によるときは
、次の効果が得られる。

イ、燃焼室を浅皿部と深皿部で構成し、軽負荷域では浅
皿部に噴射し、高負荷域で浅皿部と深皿部に噴射するよ
うにしたので、軽負荷域では燃料の過度の分散が防止さ
れて、燃焼の安定化が得られ、高負荷域では壁面蒸発燃
焼と予混合燃焼とによって、速やかな燃焼が得られる。

この場合、拡散燃焼を行なう噴霧をソリッド流に比べて
遅くまたは同時に噴射することにより、空中で予混合気
となった燃料の自発火による燃焼衝撃が緩和され、騒音
の低下、ピストン重量の低減およびフリクシランロスの
低減をはかることができる。

口、高負荷時のスモークの発生が比較的遅い噴射時期で
も抑制され、また早期噴射に伴なう燃料の過剰分散が防
止されることによりＨＣを低減できる。

ハ、比較的低いニードルリフト量でも噴孔面積が制御で
きる。

二、噴孔を２種類設けたので、高負荷域での有効噴孔面
積が大きくなるため、噴射率を高くでき、高速化が実現
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る筒内直接噴射式火花点火機関の斜
視図、第２図は本発明の第１実施例における燃料噴射ノズルお
よびピストン頂部の燃焼室と噴霧の関係を示す断面図で
あって、第２図（イ）はニードルリフトが小のとき、第
２図（ロ）はニードルリフトが大のときの断面図、第３図は本発明の第１実施例におけるクランク角とニー
ドルリフト、燃料噴射率との関係図であって、（イ）は
軽負荷時、（ロ）は高負荷時の関係図、第４図は第１実施例における燃料噴射ノズルの制御系統
図、第５図は第１実施例における燃料噴射ノズルの断面図、第６図は本発明の第２実施例における燃料噴射ノズルの
先端構造と噴霧の状態を示す断面図、第７図は本発明の
第３実施例における燃料噴射ノズルの断面図、第８図は本発明の第３実施例におけるクランク角とポン
プ内圧、ニードルリフトの関係図、である。１・・・・・・・・・・・・・・・・・・ピストン２・
・・・・・・・・・・・・・・・・・キャビティ２ａ・
・・・・・・・・・・・・・・キャビティ上層２ｂ・・
・・・・・・・・・・・・・キャビティ下層３・・・・
・・・・・・・・・・・・・・浅皿部４・・・・・・・
・・・・・・・・・・・深皿部５・・・・・・・・・・
・・・・・・・・燃料噴射ノズル６・・・・・・・・・
・・・・・・・・・点火プラグ９．１０・・・・・・・
・・・・・噴孔２８・・・・・・・・・・・・・・・・
・・ソリッド流３０・・・・・・・・・・・・・・・・
・・噴霧角の大きい噴霧時　許　出　願　人　　　トヨ
タ自動車株式会社第３図一一一りラ／り角（軽負荷）（＝）（高久？Ｆり　　　　　　　　　　　　　クラ／り角第
５図９第１の噴孔９．１０

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　ピストン頂部に凹部を設けることにより燃焼室
を形成し、該燃焼室に燃料噴射ノズルを臨ませて燃料を
筒内に直接噴射し、燃焼室に点火プラグを臨ませた筒内
直接噴射式火花点火機関において、前記ピストン頂部に
設けた燃焼室を浅皿部と該浅皿部の中央付近に形成され
た浅皿部よりも小径の深皿部との二層構造とし、燃料噴
射ノズルに微粒化の抑制されたソリッド流を形成する噴
孔と微粒化の促進された噴霧を形成する噴孔との、２種
類の噴孔を設けたことを特徴とする筒内直接噴射式火花
点火機関。
（２）　ソリッド流噴射を、微粒化の促進された噴霧の
噴射より先立つかあるいは同時に噴射するようにした特
許請求の範囲第１項記載の筒内直接噴射式火花点火機関
。
（３）　ソリッド流を噴射する噴孔の噴霧角および噴射
方向を、ソリッド流がほとんどすべて燃焼室深皿部の内
壁に付着するように設定するとともに、微粒化が促進さ
れた噴霧を形成する噴孔の噴射角および噴射方向を、高
微粒化噴霧が燃焼室浅皿部に広く分散するように設定し
た特許請求の範囲第１項記載の筒内直接噴射式火花点火
機関。
（４）　燃料噴射ノズルのニードルリフト量を負荷に対
応して制御し、軽負荷域ではソリッド流のみを噴射させ
、高負荷域ではソリッド流と高微粒化噴霧の双方を噴射
するようにした特許請求の範囲第１項記載の筒内直接噴
射式火花点火機関。