JPS62191623A - 筒内直接噴射式火花点火機関 - 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〕 本発明は、ピストン頂部に四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式の筒内直接噴射式機関に関す
る。

〔従来の技術〕

燃料を筒内に直接噴射し、火花点火を行なうエンジンに
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５２−１１３４１２号公報、
特開昭５４−８９１１１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５７−２８１１９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茎発させ
て着火する燃焼方式は、着火性について最もを利である
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ｎ・１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
伴うピストン重量の増加によるフリクション増大の問題
があった。

本発明は、筒内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有利性を維持したまま、高ｆｔ荷領
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面）妾噴射式火
花点火機関は、ピストン頂部に四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
、かつ筒内に比較的強いスワール流を発生させるインテ
ークポート部構造を有する筒内接噴射式火花点火機関に
おいて、ピストン頂部に設けた燃焼室を浅皿部と咳浅皿
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、燃料を高圧で圧送する高圧ポンプに接
続され燃料を高圧で噴射する高圧用燃ｌｉｔ　噴射ノズ
ルを、ピストンの圧縮上死点近傍で燃焼室の深皿部に臨
む位置に設けるとともに、燃料の低圧で圧送する低圧ポ
ンプに接続され燃料を低圧で噴射しかつ高負荷時のみ作
動する低圧用燃料噴射ノズルを、吸気通路に臨ませたも
のから成つている。

ここで、望ましくは、高圧用燃料噴射ノズルは、燃す４
力冑夜柱状態で噴射されるよう制御され、該噴ｆ１４燃
料の噴方向は、前記深皿部の壁面に浅い角度で衝突すよ
う設定される。

また、低圧用燃料噴射ノズルに燃料を送る低圧ポンプは
、たとえば噴射圧が１０　ｋｇ　／　ｃｄ以下となるよ
うな低圧フィードポンプが選択され、一方高圧ボンブは
、たとえば噴射圧が１００ｋｉｒ／−以上となるような
高圧フィードポンプが選択される。

〔作用〕

本発明の筒内接噴射式火花点火機関においては、高負荷
域において、たとえば吸入行程後半の適当な時期に、低
圧用燃料噴射ポンプからの第１の燃料噴射が行われる。

第１の燃料噴射は、吸気１ｌＴｌ路内に低圧にて行われ
るので、比較的霧化の促進された燃料が吸気通路内に供
給され、吸気とともに筒内に導かれた燃料噴霧は、スワ
ールとともに旋回し、噴霧と空気との比重差により生し
る遠心力によって外周側に向かって拡散され、燃焼室外
周側に位置する浅皿部で圧縮上死点に至るまでの間に空
気と十分に混合拡散し予混合気を形成する。圧縮行程後
半の圧縮上死点近傍になると、高圧用燃料噴射ノズルか
ら燃料が噴射されるが、この第２の燃料噴射は深皿部の
壁面に向けて強い貢微力にて行われ、第２の燃料噴射に
よる燃料あるいは壁面からの蒸発燃料が点火プラグによ
り着火される０着火後、火炎は深皿郡全体に広がり、壁
面蒸発燃焼が行われておだやかな燃焼が確保されるが、
浅皿部には希薄な予混合気が形成されているので、火炎
はさらに浅皿部の混合気をまき込みながら燃焼室全体へ
と広がっていく。このように、浅皿部に形成された希薄
予混合気まで燃焼が広げられることにより、高負荷域に
おいても衝撃的な燃焼が１［Ｎ１制され、燃焼が緩慢に
なりスモークのＩＪＦ出等が低域される。

低負荷域においては、もともと燃料噴射量が少ないので
、緩慢な燃焼が可能であり、吸気通路内への燃料噴射を
行わなくても、従来同様、壁面蒸発燃焼による有利な燃
焼が確保される。

〔実施例〕

以下に、本発明に係る筒内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。

第１図は、本発明の一実施例に係る筒内接噴射式火花点
火機関を示している。

図において、１はピストンを示しており、ピストン１の
頂部には凹部からなる燃焼室２が形成されている。この
燃焼室２に向けて、筒内に燃ｒ１を噴］・ｊする燃料噴
射ノズル３、および点火プラグ４が臣冨んでいる。５は
インテークバルブフ゛を示しており、インテークバルフ
゛５自体あるいはインテークバルブ５が設けられるイン
テークポート（総称してインテークポート部という。）
は、筒内に比較的強いスワール流を形成できるよう構成
されている。

ピストン１頂部の燃焼室２は、浅皿部２ａと、浅皿部２
ａの中央付近に形成された浅皿部２ａよりも小径の深皿
部２ｂとの二層構造に構成されている。

燃料噴射ノズル３は、燃ネ４を高圧で圧送する高圧ポン
プ７に接ｙεされており、高圧ポンプ７からの燃料を高
圧で噴射する高圧用燃料噴η・ｌノズルを構成している
」高圧ポンプ７は、ガバナヒ賃構並びにタイマ機構（図
示略）を有している。この高圧用燃料噴射ノズル３は、
噴射される燃ギ）がピストン１の圧縮上死点近傍で燃焼
室２の深皿部２ｂに比較的浅い角度で衝突すよう方向設
定されている。また、図示は省略するが、この高圧用燃
料噴射ノズル３は、ニードルリフト量を大きくして噴孔
の有効面積を大にし、燃料が液状態で噴射されるよう制
御されることが望ましい。

吸気通路８には、燃料を低圧で噴射しかつ高負荷時のみ
作動する低圧用燃料噴射ノズル９が臨まされている。本
実施例では、低圧用燃１１噴射ノズル９は吸気マニホル
ドに設けられている。低圧用Ｐ！、料噴射ノズル９は、
燃料を低圧で圧送する低圧ポンプｌＯに接続されており
、低圧ポンプ１０は、上述の高圧ポンプ７へと接続され
ている。低圧ポンプ１０は、燃料タンク１１に接続され
、燃料タンク１１からの燃料を低圧用燃料噴射ノズル１
０および高圧ポンプ７に送る。

低圧用燃料噴射ノズル９および高圧ポンプ７はそれぞれ
アクセル１２に接続されており、アクセル開度すなわち
機関の負荷に応じてそれぞれ制御されるようになってい
る。アクセル１２０開度が小さい場合には、圧縮上死点
近傍で高圧ポンプ７のみが作動し、高圧用燃料噴射ノズ
ル３から深皿部２ｂに向けて浅い角度で燃料を噴射すよ
う制御される。アクセル１２の開度がある一定値以上の
高負荷域では、吸気行程後半の適当な時期に低圧用燃料
噴射ノズル９も作動され、吸気通路８内に比較的少量の
燃料を噴射すよう制御される。

このように構成された実施例装置の作用について以下に
説明する。

まず、高負荷時における燃焼について説明するｑ第２図
は、アクセル開度がある一定値以上になった場合の燃焼
プロセスを示したものである。（Ａ）輸′）は、点火プ
ラグ４により点火された直後の状態を示したものであり
、吸入行程中に吸入された燃料粒子１３は、自発火をお
こさないよう十分薄い混合気となり、空気よりも比重が
大きいためスワール流１４により生じる遠心力によって
主に大径の浅皿部２ａ部分に希薄予混合気として広く分
布する。一方、圧縮行程後半には、高圧用燃料噴射ノズ
ル３から深皿部２ｂの壁面１５に向けて噴射された燃料
により形成された十分に濃い混合気１６が、深皿部分２
ｂに偏在している。（Ｂ）（Ｂ’）は、プラグ近傍で強
制点火された燃料の発熱に誘発されて、深皿部２ｂに偏
在していた混合気の一部が自発火した後、深皿部２ｂ全
体に火災が広がっている状態を示し、（Ｃ）（Ｃ’）で
は、その火災がピストンｌの下降によって生ずる逆スキ
ッシュ１７によって浅皿部２ｂに移動する状態を示して
いる。（Ｄ）（Ｄ′）は、浅皿部２ａまで広がってきた
火災が、薄く分散している混合気をまきこみながら、さ
らに発熱し、燃焼室２全体に広がってい（状態を示して
いる。

このように、深皿部２ｂ内で広がっていく火災は、先に
形成されている浅皿部２８の希薄予混合気へと広がり、
燃焼室２全体に広がっていくので、燃焼は燃ｔ１噴射量
の多い高負荷域においても全体として緩慢になり、衝撃
的な燃焼は回避されるや第３図は、本発明における燃料
噴射量制御の一例を示したものである。高負荷時には、
（Ａ）に示ｒように、吸気管より吸入される燃料Ｉ８と
高い噴１↑率で筒内に直接噴射される燃料１９のトータ
ルの燃料が燃焼することにより、十分なトルクが発生ず
る。（Ｂ）　は中′９４．荷時のものであり、供給燃料
は、直接噴射される１９のみとなり、さらに低負荷域で
は、（Ｃ）　に示すように、直接噴射燃料１９が少なく
なり、Ｑ荷に対応した噴射量の制御が行なわれる。

このように低、中負荷域においては、深皿部２１）への
第２の燃料噴射のみ行い、高負荷時のみに２段階噴射を
行うようにすれば、燃料噴射量のもともと少ない低、中
負荷域では従来同様の壁面蒸発燃焼による有利な燃焼か
確保され、高負荷域では重連のクロく浅皿部２ａの希薄
予混合気の存在により衝撃的な燃焼が抑えられる。

〔発明の効果〕

本発明に係る筒内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。

燃焼室を浅皿部と深皿部で構成し、高負荷域におてい、
深皿部に燃料を噴射し発火させる前に、吸気通路に燃料
を噴射して筒内のスワールにのせて浅皿部に希薄予混合
気を形成すようにしたので、燃料噴射量の多い高負荷時
においても、衝撃的な燃焼が抑えられ、壁面蒸発燃焼と
予混合気燃焼とによる燃焼室全体に広がる良好な燃焼を
行わせることができる。

したがって、高負荷域において、一部希薄予混合気の燃
焼を行なうことによって、スモークの排出を大幅に低減
できる。

また、高負荷域においてのみ希薄予混合気を形成するこ
とによって、未燃ＨＣの排出を低減することができる。

また、スモークを大幅に低減することによって、ＨＣ，
ＧＯ浄化のための酸化触媒の使用が容易になる。

さらに、スモーク低減によって、潤滑油のよごれを防止
できるので、エンジン各部の摩耗を低・城できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る筒内接噴射式火花点火
機関の全体構成図、 第２図（八）　（Ｂ）　（Ｃ）　（Ｄ）および（Ａ’）
（Ｂ　　’）（Ｃ’）（Ｄ′）は第１図の装置の燃焼の
進行状態を示す平面図および概略縦断面図、 第３図（Ａ）　（Ｂ）　（Ｃ）は機関の高、中、低負荷
域における燃料噴射量とクランク角との関係図、である
。 ｌ・・・・・・・・・・・・・・・・・・ピストン２・
・・・・・・・・・・・・・・・・・燃焼室２ａ・・・
・・・・・・・・・・・・浅皿部２ｂ・・・・・・・・
・・・・・・・深皿部３・・・・・・・・・・・・・・
・・・・高圧用燃料噴射ノズル４・・・・・・・・・・
・・・・・・・・点火プラグ５・・・・・・・・・・・
・・・・・・・インテークバルブ６・・・・・・・・・
・・・・・・・・・インテークポート７・・・・・・・
・・・・・・・・・・・高圧ポンプ８・・・・・・・・
・・・・・・・・・・吸気通路９・・・・・・・・・・
・・・・・・・・低圧用燃料噴射ノズル１０・・・・・
・・・・・・・・・・・・・低圧ポンプ１１・・・・・
・・・・・・・・・・・・・燃料タンク１２・・・・・
・・・・・・・・・・・・・７クセル１４・・・・・・
・・・・・・・・・・・・スワール１５・・・・・・・
・・・・・・・・・・・深皿部の壁面時　許　出　願　
人　　　トヨタ自動車株式会社覧Ｊ 仰 鞠 是　　　　　　ヘ　　　　　　　　　　　−・ズ　　　
　　　　　　　　　虫 Ｑ　　　　　　　′−〜〜 ７７７７１１１反 手続主１０正需 昭和６１イ「　４月２５０ 特許Ｉ″ＪＪ艮宮 １、事イ１の表示　　昭和６１年特許願第３２８０３号
２、発明の名称　　筒内直接消削式火花点火（実間３、
補正をＶる者 代表者　松　本　　清 （電話５８３−０４０８＞ （１）明細７’３、発明の詳細な説明の欄手続補正書く
方式） ％式％ １、事件の表示　　昭和６１汀特π［願第３２８０３号
２、発明の名称　　筒内接噴射式火花点火機関３３、補
正をする者 手付との関係　特許出願人 住所　愛′）Ｊ１県Ω１１市トヨタ町１番地名称　　（
３２０）１−ヨタ自動車株式会礼代表者　松　本　　消 ４、代理人　（〒１０７） 住　所　　東京都港区赤坂１丁目７番５号　昭和ピル１
ｇ＋和６１’Ｉ’−３月３１　ｔＥ口発送口：昭和６１
ｉ１４Ｊ１２２＋Ｅｌ）（３，補正の対象 （１）明細大の図面のｒｉｌｔへ説明の欄（２）図面 ７、補正の内容 （１）明細計：第１３頁第６ｉ’ｒｔｌおよび第７行目
に［第２図（Ａ＞（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）および（Ａ−）（
Ｂ−＞（Ｃ−＞（Ｄ′）は」とおるのを［第２図（Ａ＞
（Ｂ）（Ｃ＞（Ｄ）および（Ｅ）（Ｆ）（Ｇ）（ト１）
は」に補正する。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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、かつ筒
   内にスワール流を発生させるインテークポート部構造を
   有する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、燃料を高圧で圧送する高圧ポンプに接続され燃料を
   高圧で噴射する高圧用燃料噴射ノズルを、ピストンの圧
   縮上死点近傍で前記燃焼室の深皿部に臨む位置に設ける
   とともに、燃料を低圧で圧送する低圧ポンプに接続され
   燃料を低圧で噴射しかつ高負荷時のみ作動する低圧用燃
   料噴射ノズルを、吸気通路に臨ませたことを特徴とする
   筒内直接噴射式火花点火機関。
2. （２）前記高圧用燃料噴射ノズルを、燃料が液状態で噴
   射されるよう制御し、該噴射燃料の噴方向を、前記深皿
   部の壁面に浅い角度で衝突すよう設定した特許請求の範
   囲第１項記載の筒内接噴射式火花点火機関。