JPS6258013A - 直接噴射式内燃機関 - 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〕 本発明は直接噴射式内燃機閏に係り、特に燃焼室内に直
接燃料を噴射して濃混合気と翰薄混合気との層を形成し
、燃焼させるようにした単室燃焼室タイプの直接噴射式
内燃機閏に関する。

〔従来の技術及びその問題点〕

従来より直接噴射式内燃機閏として、Ｆｏｒｄ−ＰＲＯ
ＣＯ（Ｆｏｒｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ　Ｃｏｍｂｕｓ
ｔｉｏｎ）、Ｔｅｘａｃｏ−ＴＣＣ３（Ｔｅｘａｃｏ　
Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　Ｓｙｓ
ｔｅｍ）や−＾Ｎ−ＦＭ等が知られている。この直接噴
射式内燃機閏では、燃焼室を構成するようにピストン頂
面に単一のキャビティが形成されており、また燃焼室内
に直接燃料を噴射するように燃料噴射弁が配置されると
共に、燃焼室内の可燃混合気に点火するように点火栓が
配置されている。この内燃機関によれば、−ａ的に、吸
入行程時に空気のみを吸入し、吸入した空気を圧縮して
キャビティ内に保持し、この圧縮空気内に直接燃料を噴
射して火花点火することで燃焼が行われ、また、燃料噴
射量を制御することで負荷制御が行われる。

かかる直接噴射式内燃機閏において、圧縮行程後期に燃
料噴射を終了するようにすれば、キャビティ内部に濃混
合気と翰薄混合気との層が形成され、濃混合気に火花点
火することで成層燃焼が行われる。しかしながら、時間
的に濃混合気位置が変化することから安定した成層燃焼
を行わせるためには、経験的な知識に基づいて、スワー
ルやスキッシュによって気流の制御を行ったり、燃料噴
耐昇からの燃料噴射方向と点火栓の火花ギャップの相対
位置、燃料噴射時期および期間と点火時期との関係を決
定する必要があり、広範囲な運転域で安定した成層燃焼
を行わせかつエンジンパラメータの最適化を図るのが非
常に困難である、という問題があった。

また、安定した成層燃焼を行わせるためには、強力点火
装置または特殊点火装置が必要となり、これらの点火装
置の耐久性に困難な問題を残すと共に、高負荷時にすす
が排出され、低負尚時に未燃炭化水素の排出率が増大す
る等の問題も残されている。

その後、特公昭５６−４７３７１号公報、特公昭５１−
３４０４５号公報等に見られるように、スワールを利用
しつつ濃混合気を燃焼室の点火栓付近の一部に偏在させ
、点火後スワールによって翰薄混合気と混合しつつ燃焼
させる方法が提案されている。これらの方法は、高負荷
時（供給燃料が多い時）にその効力を発揮するが、低負
荷時（供給燃料が少ない時）には、燃料の離散や着火後
の空気との過剰混合による消炎などの問題を残すものと
考えられ、スワールの積極的な利用がかえって逆効果と
なる。すなわち、圧縮工程後期の点火前０〜８０＠ＣＡ
（クランク角）の範囲に燃料噴射する場合には、まず点
火栓付近での混合気の安定した保持が必要で、高負荷時
には燃料と空気の混合を促進し、かつ低負荷時には余剰
空気と分離して消炎を防止するような燃焼法が望まれる
ところである。

一方、上記の問題を解決するために、吸気行程時又は圧
縮行程初期に燃料を噴射して均一でかつ翰薄化した混合
気を燃焼室内に形成して火花点火することも行われてい
るが、可燃限界空気過剰率の制限から吸気を絞らない状
態で燃料噴射量を調節して負荷を変化させることが困難
となり、吸気通路に吸気絞り弁全配置して吸気絞りによ
って負荷を制御する必要がある。このため、吸気絞りに
よるポンプ損失の増大、ＮＯｘ排出量の増大、ノッキン
グの発生等の問題が生じる。

すなわち、従来の直接噴射式内燃機閏では、すすおよび
未燃炭化水素の排出量が少ない安定した燃焼を実現する
と共に、直接噴射式内燃機閏の特徴であるノッキングを
抑制した高圧縮比化、ＮＯＸ低凍およびポンプ損失の低
減を実現することが、同時に行えない、という問題があ
った。

本発明は上記問題点を解決すべくなされたもので、点火
栓の火花ギャップの周囲に離散させることなく安定に可
燃混合気を形成して保持すると共に着火後の余剰空気と
の過剰混合を避けることにより、広い空気過剰率域（負
荷域）に亘って安定な燃焼を容易に実現して性能を向上
させた直接噴・射式内燃機関を提供することを目的とす
る。

ｃ問題点を解決するための手段〕 上記目的を達成するために本発明は、可燃混合気を保持
する第１の凹所および余剰空気あるいは相対的に翰薄な
混合気を保持する第２の凹所を備えた燃焼室と、第１の
凹所内に燃料を集めるように配置された燃料噴射装置と
、第１の凹所内に保持された可燃混合気に点火可能に配
置された点火装置とを含んで構成したものである。

〔作用〕

圧縮行程後期において燃料噴射装置からの燃料噴射を終
了することにより負荷に応じた量の燃料が噴射され、噴
射された燃料は空気と混合されながら第１の凹所内に集
められ、しばらくの間第１の凹所内に保持される。なお
、燃料噴射量は負荷に応じて燃料噴射期間を制御するこ
とにより制御され、また直接第１の凹所方向へ燃料を噴
射したり、第１の凹所方向あるいは第１の凹所方向と異
なる方向へ燃料を噴射してスワールやスキッシュによっ
て押込むことにより、燃料が第１の凹所内に集められる
。

第１の凹所内に保持された可燃混合気に火花点火すると
、第１の凹所内で急激に火炎伝−播して燃焼し、これに
よって圧力が上昇する。そして、燃焼ガスの一部は、余
剰空気あるいは相対的に翰薄な混合気が保持された第２
の凹所またはトップクリアランス部に流入して余剰空気
あるいは相対的に翰薄な混合気と混合する。ここで、高
負荷時には、第１の凹所内に濃混合気が保持されるため
、この濃混合気は第１の凹所内で燃焼して膨張し燃焼反
応（酸化反応）を伴いつつ第２の凹所内へ流入し余剰空
気あるいは相対的に翰薄な混合気と混合して拡散燃焼す
る。一方、低負荷時には第１の凹所内に可燃の翰薄混合
気が保持されるため、この翰薄混合気は第１の凹所内で
のみ燃焼反応を完結した後に第２の凹所内の余剰空気あ
るいは相対的に翰薄な混合気と混合するので消炎を防止
できる。

〔実施例〕

以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。

第１図（１）は本発明の第１実施例に係る直接噴射式内
燃機閏の断面図を示し、第１図（２）はこの内燃機関の
ピストンの平面図を示すものである。シリンダ１０には
、ピストン１２が往復動可能に挿入されており、このピ
ストン１２の頂面に燃焼室を構成するキャビティが形成
されている。このキャビティは、円柱状に穿設された可
燃混合気保持用の第１の凹所１４と、第１の凹所１４と
同一形状でかつ同一容積となるように穿設された第２の
凹所１６と、第１の凹所１４と第２の凹所１６との壁面
に接する２つの円柱の側面１８Ａ、１８Ｂで形成された
流路１８とから構成され、第１の凹所１４に可燃混合気
を、第２の凹所１６に余剰空気あるいは相対的に翰薄な
混合気を各々保持するように配置されている。

シリンダヘッド２０には、点火時期で火花ギャップ２２
Ａが第１の凹所１４内に位置するように、点火栓２２が
取付けられている。またシリンダヘッド２０には、点火
栓２２の火花ギャップ２２Ａ方向（第１図（１）および
第２図（１））へ燃料を噴射して第１の凹所１４内に燃
料を集めるように、燃料噴射弁２４が取付けられている
。この燃料噴射弁２４の燃料噴射終了時期は、圧縮上死
点前２０°〜８０＠ＣＡ前後に設定され、燃料噴射開始
を変化させることにより負荷に応じた量の燃料を噴射す
るようにされている。

また、第１の凹所から流出した混合気をスキッシュで押
込んで保持するため、上記の機関のトップクリアランス
Ｔｅは極力小さく設定されている。

また第２図（１）の矢印５ＷＩＲＬはスワールの方向を
示す。また、この機関の翰薄限界空気過剰率λ１．は上
死点での全燃焼室容積■アと可燃混合気を保持する凹所
の容積Ｖｃ　とに基づいて次式のように定まり、本実施
例では可燃混合気を保持する第１の凹所の容積と余剰空
気あるいは相対的に翰薄な混合気を保持する第２の凹所
の容積との容積比を１に定めている。

ただし、Ａ　ＬＬは予め燃料と空気とを混合して燃焼さ
せる予混合機関の翰薄限界空気過剰率であり、通常１．
４〜１．８　（例えばガソリンの場合空燃比で２０〜２
６）である。

従って、本実施例では、翰薄限界空気過剰率を２．８〜
３．６程度として予混合機関の２倍程度とすることがで
きる。

本実施例によれば、圧縮上死点前２０〜８０″ＣＡ近傍
（第２図（２）の実線で示すピストン位Ｗ）で燃料噴射
が終了され、噴射された燃料は空気と混合されながら第
１の凹所１４内に集められ、所定の期間滞留し、これに
よって混合気が形成される。また、燃料噴射開始のピス
トン位置は、エンジン回転速度１８００（ｒｐｍ）の最
大負荷時（正味平均有効圧−’０．８　（ＭＰａ））を
例に採れば、第２図（２）の破線の位置になる。上記の
ように形成された混合気に点火栓によって火花点火する
と、可燃混合気は第１の凹所１４内で急激に火炎伝播し
て燃焼し圧力上昇する。そして、燃焼ガスの一部は第２
の凹所１６又はトップクリアランス部に流入して余剰空
気あるいは相対的に翰薄な混合気と混合する。ここで、
高負荷時には混合気は第１の凹所内でλ≦１の状態で燃
焼し、膨張行程初期に第２の凹所内の余剰空気あ−るい
は相対的に翰薄な混合気と混合して拡散燃焼（酸化反応
）するが、低負荷時には第１の凹所内のみで燃焼した後
余剰空気あるいは相対的に翰薄な混合気と混合する。

上記では円柱状の凹所を２個ピストン頂面に設けて容積
比を１にした例について説明したが、本発明はこれに限
定されるものではなく、第１の凹所および第２の凹所の
形状および個数は任意であり、設ける位置もピストン頂
面のみならずシリンダヘッド側あるいはピストン頂面と
シリンダヘッド側の両方に設けるようにしてもよく、ま
た容積比は翰薄限界空気過剰率をどのくらいにするかで
上記（１）式に基づいて第１の凹所および第２の凹所の
径、深さおよび個数を調整することにより決定される。

また、上記では点火栓を１個設けた例について説明した
が、第２の凹所側にも点火栓を配置して高負荷時の急速
燃焼を図ることができる。

以下図面を参照して上記凹所の変形例を説明する。なお
、図において矢印は燃料噴射方向を示し、Ｘ印は点火位
置を示す。

第３図は第１図（２）、第２図に示した第１実施例の第
１の変形例である。この変形例はピストン頂面に形成し
たキャビティにピストン頂面の中心方向に突出するリッ
プＡを設け、リエントラント形にしたものである。点火
栓、噴射弁の配置は第１図の第１実施例と同一であるが
、リップＡを設けることにより可燃混合気の保持がより
改善されると共に、スキッシュ面積の増大によるスキッ
シュ流の強化をも図ることができる。

第４図は第１図（２）、第２図に示した第１実施例の第
２の変形例である。この変形例は、キャビティがピスト
ン１２とシリンダヘッド２０にまたがっている場合で、
噴射弁２４、点火栓２２の配置に合わせてキャビティを
燃料噴射方向と平行になるように傾けたものである。

第５図は噴射弁２４と点火栓２２とを同一凹所側に配置
した第３の変形例である。この配置にすれば噴射時期の
自由度がさらに広げられる。

第６図は噴射弁２４をシリンダヘッド２０側に配置した
第４の変形例である。キャビティの配置、点火栓の配置
によりヘッド側に噴射弁を最適に配置できない場合に有
効である。

第７図は半球状の第１の凹所１４と半球状の第２の凹所
１６とが一部重なるようにピストン頂面に形成した第５
変形例を示すものである。

第８図は半球状の第１凹所１４と第１の凹所に近づくに
従って徐々に深さが浅くなる第２の凹所１６とを連通し
てピストン頂面に形成した第６変形例を示すものである
。

第９図は半球状の第１の凹所１４と２個の第２の凹所１
６とを連通してピストン頂面に形成した第７変形例を示
すものである。

第１０図は３個の第１の凹所１４と３個の第２の凹所１
６とを交互に配置して放射状に形成すると共に、これら
の凹所を中心部で連通させた第８変形例を示すものであ
る。この変形例では、１２０°間隔の３方向に同時に燃
料を噴射する３孔燃料噴射弁が用いられる。

第１１図は第１の凹所１４と第２の凹所１６を一方はな
めらかな曲線で結び、他方を突起Ｂで絞るようにした流
路１８で連通した第９の変形例である。本変形例のよう
に、流路１８が比較的大きく、絞り効果が朋得されずス
ワールなどによる凹所１６内の空気流動で凹所１４内の
混合気が過剰希釈されやすい場合には、吸気スワールを
比較的弱く設定して十分にスワールを減衰させるかもし
くはスワールのない状態とすることにより、可燃混合気
と余剰空気あるいは相対的に翰薄な混合気とをかくはん
混合することなく分離保持することが可能となる。低負
゛荷域での過剰希釈による消炎を防止できて、本第１実
施例と同様に広い負荷域に亘り、効率の高い安定な燃焼
が達成される。

第１２図はピストン頂面中心部に円柱状の第１の凹所１
４を形成すると共にこの凹所１４に連通して第２の凹所
１６を形成した第１０変形例を示すものである。

第１３図はピストン頂面中心部に第１の凹所１４を形成
すると共にこの凹所に連通させて２個の第２の凹所１６
を形成した第１１変形例を示すものである。

第１４図はシリンダヘッド例にのみ第１の凹所１４と第
２の凹所１６とを形成した第１２変形例を示すものであ
る。

第１５図はピストン頂面に、第１の凹所１４とこの凹所
より径が小さくかつ深さが深い第２の凹所１６とを形成
した第１３変形例を示すものである。

第１６図は第１３変形例とは逆に、ピストン頂面に、第
１の凹所１４とこの凹所より径が大きくかつ深さが浅い
第２の凹所１６とを形成した第１４変形例を示すもので
ある。

第１７図はピストン頂面に半球状の第１の凹所１４と半
球状の第２の凹所１６とを連通して形成し、これらの凹
所間に突部１５を形成した第１５変形例を示すものであ
る。この変形例によれば突部１５により可燃混合気と余
剰空気とを効果的に分離することができる。

次に、本発明の第２実施例を第１８図を参照して説明す
る。本実施例はピストン頂面に四角柱状の第１の凹所１
４とこの凹所１４と同じ体積の第２の凹所１６とを形成
すると共に同一幅で同−深さの流路１８でこれらの凹所
１４．１６を連通させたものである。本実施例では、キ
ャビティを一方向に長くして、一方の凹所１４に燃料を
集め、他方の凹所１６に余剰空気あるいは相対的に翰薄
な混合気を保持するようにしたものである。本実施例の
ように一方向に長いキャビティとすれば第１の凹所と第
２の凹所間の流路を絞ることなく、混合気がかくはん混
合されずに安定に成層化され、第１の実施例と同様、広
い運転域に亘り安定な燃焼が可能となる。

第１９図は第１の凹所１４と第２の凹所１６を連通する
流路１８を広くし近似楕円形とした第１実施例の変形例
である。この例においても、吸気スワールを比較的弱（
設定することによりキャビティ中央でのスワールを減衰
させ、可燃混合気の分離保持が可能となる。

第２０図は本発明の第３実施例を示す図である。

各構成要素は第１実施例と同一であるが、本実施例では
可燃混合気を保持する第１の凹所１４をピストン側に、
余剰空気あるいは相対的に翰薄な混合気を保持する第２
の凹所１６をシリンダへ、ラド２０に分割して設けてい
る。このように凹所を分割して配置することにより燃焼
室の形状・配置、噴射弁・点火栓の配置等に大きな自由
度が生まれ、最適な配置とすることができる。但し、ピ
ストン１２が上死点近傍まで上昇すると第１の凹所１４
と第２の凹所１６の開口部が所定の幅で重なり合・う様
に形成された流路で連通され一つのキャビティを形成す
るようにされている。また当然のことながら、第１の凹
所と第２の凹所を本実施例と逆に形成してもさしつかえ
ない。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、次のような効果が
得られる。すなわち、可燃混合気が凹所内に暫く保持さ
れることから燃料噴射時期および点火時期の自由度が広
がり、混合気形成の時間も採り易くずすの発生を少なく
することができる。

また失火の少ない安定した燃焼が可能となる。可燃混合
気が狭い凹所内に保持されて燃焼されることからクエン
チ層の領域が狭くなると共に、可燃混合気が燃焼してか
ら余剰空気と混合するので、低負荷域でも燃焼温度が高
く消炎がなくなる。さらに、燃料を所定の凹所に集中し
て集めて火花点火して燃焼させるので燃料が他に漏れ出
ることがなく、未燃炭化水素の排出率を低くすることが
できる。また比較的濃い可燃混合気を燃焼させることか
ら火炎伝播距離が短くなると共に、可燃混合気が燃焼さ
れた後余剰空気あるいは相対的に翰薄な混合気と混合さ
れ°ることからエンドガスが主に空気になるため、高圧
縮比化してもノッキングの発生を抑制することができる
。高負荷域で可燃混合気が濃い状態で燃焼したあと余剰
空気あるいは相対的に翰薄な混合気と混合し拡散燃焼す
るので、余剰空気内の窒素が酸化されることが少なくな
り、ＮＯＸの生成を少なくすることができる。吸気を絞
らない状態で燃料噴射量を制御することによって負荷を
制御できるので、広い負荷に対して吸気絞り無しで安定
燃焼させ、これによりポンプ損失を低減できる。また、
特に強力な点火装置を必要としないので、点火系のコス
トと耐久性を従来の予混合機関並にすることができる。

なお、本発明によれば、直接噴射式内燃機閏の燃料とし
てはガソリンにかかわらず、アルコール軽油、灯油など
を含む多種燃料を用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（１）は本発明の第１実施例の断面図、第１図（
２）は上記実施例のピストンの平面図、第２図（１）は
上記実施例のキャビティ形状と燃料噴射方向とを示す線
図、第２図（２）は燃料噴射開始および終了時のピスト
ン位置を示す線図、第３図（１）は上記第１実施例の第
１変形例に係るピストンの平面図、第３図（２）は上記
第１変形例の縦断面図、第４図（１）は上記第１実施例
の第２変形例に係るピストンの平面図、第４図（２）は
上記第２変形例の縦断面図、第５図（１）は上記第１実
施例の第３変形例に係るピストンの平面図、第５図（２
）は上記第３変形例の縦断面図、第６図（１）は上記第
１実施例の第４変形例に係るシリンダヘッドの平面図、
第６図（２）は上記第４変形例の縦断面図、第７図（１
）は上記第１実施例の第５変形例に係るピストンの平面
図、第７図（２）は第７図（１）のｆｆ−ｎ線断面図、
第８図（１）は上記第１実施例の第６変形例に係るピス
トンの平面図、第８図（２）は第８図（１）のｎ−ｎ線
断面図、第９図（１）は上記第１実施例の第７変形例に
係るピストンの平面図、第９図（２）は第９図（１）の
ｎ−ｎ線断面図、第１０図（１）は上記第１実施例の第
８変形例に係るピストンの平面図、第１Ｏ図（２）は第
１Ｏ図（１）の■−■線断面図、第１１図（１）は上記
第１実施例の第９変形例に係るピストンの平面図、第１
１図（２）は上記第９変形例の縦断面図、第１２図（１
）は上記第１実施例の第１０変形例に係るピストンの平
面図、第１２図（２）は第１２図（１）のｎ−ｎ線断面
図、第１３図（１）は上記第１実施例の第１１変形例に
係るピストンの平面図、第１３図（２）は第１３図（１
）のｎ−ｎ線断面図、第１４図（１）は上記第１実施例
の第１２変形例に係るシリンダヘッドの平面図、第１４
図（２）は上記第１２変形例の縦断面図、第１５図（１
）は上記第１実施例の第１３変形例に係るピストンの平
面図、第１５図（２）は第１５図（１）のｎ−ｎ線断面
図、第１６図（１）は上記第１実施例の第１４変形例に
係るピストンの平面図、第１６図（２）は第１６図（１
）の■−汀線断面図、第１７図（１）は上記第１実施例
の第１５変形例に係るピストンの平面図、第１７図（２
）は第１７図（１）のｆｆ−ＩＩｎ線断面図第１８図（
１）は本発明第２実施例のピストンの平面図、第１８図
（２）は第１８図（１）のｎ−ｎ線断面図、第１９図（
１）は上記第２実施例の変形例に係るピストンの平面図
、第１９図（２）は上記第２実施例の変形例の縦断面図
、第２０図（１）は本発明の第３実施例の凹所の配置を
示す線図、第２０図（２）は上記第３実施例の縦断面図
である。 １２・・・ピストン、 １４・・・第１の凹所、 １６・・・第２の凹所、 ２２・・・点火栓、 ２４・・・燃料噴射弁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）　可燃混合気を保持する第１の凹所および余剰空
   気あるいは相対的に翰薄な混合気を保持する第２の凹所
   を備えた燃焼室と、前記第Ｉの凹所内に燃料を集めるよ
   うに配置された燃料噴射装置と、前記第１の凹所内に保
   持された可燃混合気に点火可能に配置された点火装置と
   、を有する直接噴射式内燃機閏。