JPS63120815A - 内燃機関の燃料噴射方法 - 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〕 本発明は外部点火による燃料噴射式内燃機関に関する。

〔従来の技術〕

従来よりピストン頂面にキャビティを形成し、シリンダ
ヘッドに多孔噴射ノズルを配置し、噴射ノズルの各噴孔
から四方に燃料、例えばメタノールを噴射してこれを点
火栓により着火せしめるようにした外部点火式の燃料噴
射式内燃機関が公知である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで内燃機関の熱効率を向上させるには圧縮比を高
めることが好ましいが上述のような内燃機関において圧
縮比を高めるとノンキングが生じ、斯くして圧縮比を高
めることができないために熱効率を向上させるのが困難
であるという問題がある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するために本発明によればピストン頂
面にキャビティを形成すると共にキャビティ内壁面上に
突出部を設けて突出部上に衝突面を形成し、シリンダヘ
ッドに、設けた燃料噴射弁から大部分の燃料を衝突面に
向けて噴射せしめて他の領域よりも濃い混合気領域を突
出部周りに形成し、点火時にこの濃い混合気領域内に位
置する点火装置をシリンダヘッドに取付けている。

〔実施例〕

第１図および第２図を参照すると、１はシリンダブロッ
ク、２はシリンダブロックｌ内で往復動するピストン、
３はシリンダブロック１上に固締されたシリンダヘッド
、４はシリンダヘッド３の平坦内壁面とピストン２間に
形成された燃焼室、５は一対の吸気弁、６は一対の吸気
通路、７は一対の排気弁、８は排気通路を夫々示す。ピ
ストン２の平坦な頂面の中央部には円形状をなすキャビ
ティ９が形成される。このキャビティ９は円筒状をなす
周壁面９ａとほぼ平坦に形成された底壁面９ｂとを有す
る。キャビティ底壁面９ｂの中心部にはシリンダヘッド
３に向けて突出する突出部１０が形成される。この突出
部１０はピストン２の頂面とほぼ平行をなす円形状の衝
突面１０ａと、下方に向けて断面積が増大する円錐状の
周壁面１０ｂとを具備する。第１図に示す実施例では衝
突面１０ａはシリンダ軸線上に位置する。また、この衝
突面１０ａは第３図（ａ）に示すように平坦面から形成
することもできるし、第３図（ｂ）に示すように中心部
が凹んだ凹状面から形成することもできるし、第３図（
ｃ）に示すように外方に向けて凸状をなす凸状面から形
成することもできる。

シリンダヘッド３の内壁面の中央部には燃料噴射弁１１
が取付けられる。この燃料噴射弁１１は単一の噴孔１２
と、噴孔１２の開閉制御を行なうニードル１３と、ニー
ドル１３を作動するピエゾ圧電素子１４とを具備する。

ピエゾ圧電素子１４は電圧を印加すると長手方向に伸長
し、この伸長作用によりニードル１３の開閉制御を行な
う。無論従来より用いられているソレノイドを用いた燃
料噴射弁、或いは燃料噴射ポンプの吐出圧によって機械
的にニードル１３の開閉制御が行なわれる燃料噴射弁を
用いることもできる。燃料噴射弁１１のピエゾ圧電素子
は電子制御ユニット２０に接続され、従って燃料噴射弁
１１からの燃料噴射作用は電子制御ユニット２０の出力
信号によって行なわれる。更にシリンダヘッド３には点
火栓１５が取付けられ、点火栓１５の放電間隙１６は第
１図に示すようにピストン２が上死点位置にあるときに
突出部１０の周壁面１０ｂに極く近接するように配置さ
れる。

れたＲＯＭ　（リードオンリメモリ）２２、ＲＡＭ（ラ
ンダムアクセスメモリ）２３、ＣＰＵ　（マイクロプロ
セッサ）２４、入力ポート２５および出力ボート２６と
を具備する。入力ポート２５にはクランク角センサ２７
および回転数センサ２８が接続される。クランク角セン
サ２７は例えば１番気筒が上死点位置にあることを示す
出力信号を発生し、従ってクランク角センサ２７の出力
信号からいずれの気筒に燃料を噴射すべきか否かが判別
される。回転数センサ２８は例えばクランクシャフトが
３０度回転する毎に出力パルスを発生する。

従ってこの回転数センサ２８の出力信号から現在のクラ
ンク角を計算できると共に機関回転数を計算することが
できる。また、アクセルペダル２９には負荷センサ３０
が接続され、この負荷センサ３０はＡＤ変換器３１を介
して入力ポート２５に接続される。この負荷センサ３０
はアクセルペダル２９の踏込み量に比例した出力電圧を
発生する。

一方、出力ボート２６は駆動回路３２を介して燃料噴射
弁１４のピエゾ圧電素子１４に接続され、更に出力ボー
ト２６は駆動回路３３およびイグナイタ３４を介して点
火栓１５に接続される。

次に第４図を参照して燃料噴射および点火処理について
説明する。第４図を参照するとまず始めにステップ４０
において回転数センサ２８の出力パルスから計算された
機関回転数Ｎ、および機関負荷Ｐを表わす負荷センサ３
０の出力信号が読み込まれる。次いでステップ４１では
例えば機関負荷Ｐから燃料噴射量が計算される。次いで
ステップ４２では機関回転数Ｎおよび機関負荷Ｐから燃
料噴射開始時期が算出される。機関回転数Ｎ、負荷Ｐと
燃料噴射開始時期Ｉとの関係は第５図に示すようなマツ
プの形で予めＲＯＭ　２２内に記憶されており、従って
ステップ４２ではマツプに記憶された関係から燃料噴射
開始時期が算出される。次いでステップ４３ではステッ
プ４１で計算された燃料噴射量と燃料噴射開始時期Ｉか
ら燃料噴射完了時期が計算される。次いでステップ４４
では機関回転数Ｎおよび負荷Ｐから点火時期が計算され
る９機関回転数Ｎ、負荷Ｐと点火時期θとの関係は第６
図に示すようなマツプの形で予めＲＯ？’ｌ　２２内に
記憶されており、従ってステップ４４ではマツプに記憶
された関係から点火時期θが算出される。次いでステッ
プ４５では燃料噴射開始時期■、燃料噴射完了時期およ
び点火時期θを表わすデータが出力ポート２６に出力さ
れ、このデータに基いて燃料噴射作用および点火作用が
行なわれる。

第７図は燃料としてメタノールを使用した場合の燃料噴
射時期の一例を示しており、第８図は燃料としてメタノ
ールを使用した場合の点火時期の一例を示している。第
７図においてＡｏは高負荷運転時における燃料噴射開始
時期を示しており、Ａ＋　は高負荷運転時における燃料
噴射完了時期を示している。従って第７図における矢印
Ｘは高負荷運転時における燃料噴射期間を示している。

また、第７図においてＢｏは低負荷運転時における燃料
噴射開始時期を示しており、Ｂ、は低負荷運転時におけ
る燃料噴射完了時期を示している。従って第７図におい
て矢印Ｙは低負荷運転時における燃料噴射期間を示して
いる。一方、第８図においてＣは高負荷運転時における
点火時期を示しており、Ｄは低負荷運転時における点火
時期を示している。

第７図かられかるように機関高負荷運転時には燃料噴射
開始時期が上死点前１００度程変色なる。

前述したように第７図に示す燃料噴射時期は一例であっ
て例えばメタノールを使用した場合においても高負荷運
転時における燃料噴射開始時期は上死点前１００度より
も若干遅せることもできるし、又早めることもできる。

また、メタノール以外のガソリン等の燃料を用いた場合
には高負荷運転時における燃料噴射開始時期が上死点前
１８０度程変色なることもある。しかしながら従来より
メタノールを用いた場合に採用されている燃料噴射開始
時期に比べて燃料噴射開始時期がかなり早められている
ことは事実である。また、第８図に示す点火時期も一例
であってメタノールを使用した場合であっても、或いは
メタノール以外の燃料を使用した場合にもそれに応じて
点火時期が異なってくる。

本発明における内燃機関は圧縮比を１２二〇以上とする
ことができ、第１図に示す内燃機関の圧縮比は１６．２
である。本発明ではこのように高い圧縮比であってもノ
ンキングを生じることなく良好な燃焼を得ることができ
る。次に第９図および第１０図を参照して本発明による
混合気の形成方法および点火方法について説明する。

第９図は燃料噴射弁１１の噴孔１２から燃料の噴射が開
始された瞬間を示している。噴孔１２は衝突面１０ａに
指向されており、従って噴孔１２から噴射された大部分
の燃料は衝突面１０ａに衝突する。即ち、噴孔１２は単
孔ノズルであるので噴孔１２から噴射された大部分の燃
料はほとんど広がることなく液状のままで衝突面１０ａ
に向かう。このように噴射燃料の大部分は液状であるた
めに貫徹力が大きく、従って噴孔１２と衝突面１０ａの
距離がかなり離れていても大部分の噴射燃料は衝突面１
０ａに達する。衝突面１０ａに衝突した燃料は微粒化さ
れて半径方向に飛散するが噴射燃料は下向きの慣性力を
もっているために半径方向に飛散した燃料は矢印Ｆで示
されるように突出部１０の周壁面１０ｂに沿ってキャビ
ティ９の底壁面９ｂの方に向かう。従って突出部１０の
周りには燃料音度の高い領域が形成される。次いで突出
部１０周りの燃料はキャビティ９内を半径方向に拡散し
ていくためにキャビティ９内には突出部ｌＯの周壁面１
０ａからキャビティ９の周壁面９ａに向けて次第に薄く
なる混合気が形成される。ピストン２が上昇している間
、キャビティ９内の混合気或いは空気は下方に押し付け
られるためにキャビティ９内から上方に流出しない。従
ってキャビティ９内には混合気層が形成され、ピストン
２の頂面上方の燃焼室４内は空気のみとなって成層化が
行なわれることになる、機関高負荷運転時には燃料噴射
開始時期が早いためにピストン２が上死点近傍に達する
までにキャビティ９内における燃料の気化および拡散が
十分に進行し、従ってキャビティ９内は混合気で満され
る。これに対して機関低負荷運転時には燃料噴射開始時
期が遅くなるためにピストン２が上死点近傍に達するま
でにキャビティ９内における燃料の拡散が十分に進行せ
ず、斯くしてこの場合には突出部１０の周りに濃い混合
気層が形成され、この濃い混合気層の周りはドーナツ状
をなす空気層となる。しかしながらいずれにしても突出
部１０の周壁面１０ｂの周りには他の領域よりも濃い混
合気領域が形成される。

第１０図は点火栓１５による点火作用が行なわれる瞬間
を示している。前述したように突出部１０の周壁面１０
ｂの周りには破線Ｇで示すようにリング状の濃い混合気
領域が形成されており、点火栓１５の放電間隙１６は点
火時にこの濃い混合気領域内に位置するように配置され
ている。点火栓１５により領域Ｇの濃い混合気が着火せ
しめられると火災は即座に濃い混合気領域全体に広がり
、次いで火災がキャビティ９内を半径方向に広がってキ
ャビティ９内の混合気を燃焼せしめる。このように火災
がキャビティ９の中心部から周囲に広がるので火災伝播
距離が短か（、従って燃料速度が速くなるために熱効率
が向上し、ＨＣ，Ｃｏが低減せしめられることになる。

また、前述したようにピストン２の頂面上方の燃焼室４
内は空気のみとなっているので第１０図に示すようにピ
ストン２が上死点近傍に達したときにはビスＩ・ン２の
頂面周辺部とシリンダヘッド３の平坦内壁面間の燃焼室
退部には空気のみとなっている。ノッキングは燃焼が開
始されて燃焼室４内の圧力が上昇したときに燃焼室退部
にの混合気が圧縮されて自己着火することにより生ずる
ものであるが本発明では燃焼室退部Ｋには空気のみしか
存在しないために燃焼室退部Ｋにおいて自己着火が生じ
ることがなく、斯くしてノッキングが発生することがな
い。

従って本発明では圧縮比を高めることができ、斯くして
機関の効率を大巾に増大せしめることができる。第１１
図は第１図に示す内燃機関においてメタノールを使用し
た場合の熱効率を示している。

従来のメタノールを使用した内燃機関に比べて熱効率が
大巾に増大していることがわかる。

なお、本発明による内燃機関では上述したように機関の
負荷にかかわらずに突出部１００周壁面１０ｂの周りに
は濃い混合気領域が形成され、この濃い混合気領域の混
合気が点火栓１５により着火せしめるので機関負荷にか
かわらずに安定した混合気の着火と、それに続く安定し
た燃焼を確保することができる。従って失火することの
ない安定したアイドリング運転を確保することができる
と共に熱効率の向上とＨＣの低減を図ることができる。

また、本発明における内燃機関では吸気通路６には絞り
弁が設けられておらず、燃料噴射量によって負荷制御が
行なわれる。このように絞り弁が設けられていないこと
から部分負荷運転時における熱効率を向上することがで
きる。

なお、ノッキングの発生を阻止するために本発明ではピ
ストン２の頂面上方の燃焼室２内に空気のみ存在させる
ようにしている。そのためには燃料噴射弁１１から噴射
された全燃料をキャビティ９内に送り込めばよい。従っ
て最も早い噴射開始時期におけるピストン位置に対して
全噴射燃料がキャビティ９内に向かうように噴霧角α（
第９図）を広げることもできる。しかしながらこのよう
に噴射角αを広げた場合であっても大部分の燃料を衝突
面１０ａに衝突せしめることが好ましい。なお、全噴射
燃料をキャビティ９内に送り込むといっても燃料噴射量
が多いときには圧縮行程の早い時期から噴射燃料をキャ
ビティ９内に送り込む必要がある。このように圧縮行程
の早い時期から噴射燃料ヲーｔ−ヤビティ９内に送り込
むことによって点火栓１５により着火されるまでの間に
十分な時間があり、その間に噴射燃料が十分に拡散され
、同時に噴射燃料の気化が十分に促進されるからである
。

第１２図から第２１図は種々の変形例を示しており、以
下第１２図から順に各変形例について説明する。

第１２図に示す実施例では点火栓１５に代えてグロープ
ラグ１７が用いられている。このグロープラグ１７は点
火時に濃い混合気領域Ｇ内に位置するように配置される
。即ち、グロープラグ１７の先端はピストン２が上死点
に達したときに突出部１０の周壁面１０ｂの極く近傍に
位置するように配置される。この場合にはピストン２が
上昇して濃い混合気領域Ｇがグロープラグ１７の先端部
と接触した後に濃い混合気が着火せしめられる。

第１３図に示す実施例では突出部１０がキャビティ９の
底壁面９ｂかられずかばかり突出した突起１０Ｃと、こ
の突起１０ｃ上に固定された衝突部材１８とにより構成
されている。この衝突部材１８はピストン２とは別の耐
摩耗性の材料から形成されており、しかも衝突部材１８
の衝突面１０ａが高温となるように断熱構造を有してい
る。メタノールは気化潜熱が大きく、従ってメタノール
を使用した場合に衝突面１０ａの温度が低下しすぎない
ように衝突部材１８を断熱構造としている。衝突面１０
ａの温度を高めることによって衝突面１０ａに衝突した
燃料の霧化を促進することができる。

第１４図に示す実施例ではキャビティ９の周壁面９Ｃが
多角形状に形成されている。一方、第１５図に示す実施
例では衝突面１０ａがシリンダ軸線に対して偏心して配
置されており、この衝突面１０ａに向けて燃料が噴射さ
れる。これらの実施例ではキャビティ９の周壁面９ａ　
、９ｃまでの火災の伝播距離が火災の伝播方向によって
異なり、従って燃焼時間を制御することができる。

第１６図に示す実施例では吸気通路６内に吸気制御弁１
９が設けられる。第１７図は吸気制御弁１９の開度θと
機関負荷Ｐとの関係を示している。

第１７図に示されるように吸気制御弁１９は機関負荷が
小さいとき、又は無負荷のとき半開状態とされ、機関負
荷が大きくなるとただちに全開する。

本発明では突出部ｌＯの周りに濃い混合気領域Ｇ（第１
０図）を形成することが必要であるが燃焼室４内にあま
り強い旋回流或いは乱れを発生せしめると特に噴射燃料
量の少ない機関低負荷運転時に突出部１０の周りに濃い
混合気領域Ｇを形成するのが困難となる場合がある。こ
のような場合には機関低負荷運転時に吸気制御弁１９を
半開程度まで閉弁させることによって吸入空気量を減少
させ、あまり強力な旋回流或いは乱れを発生させないこ
とが好ましい。

第１８図から第２０図は点火栓１５の放電間隙１６の周
りに一層濃い混合気領域を形成するための種々の実施例
を示している。

即ち、第１８図を参照すると突出部１０の衝突面１０ａ
が点火栓１５の放電間隙１６に向けて傾斜する傾斜面か
ら形成される。このように衝突面１０ａを点火栓１５の
放電間隙１６に向けて傾斜させることによって多くの噴
射燃料を点火栓１５の放電間隙１６の周りに送り込むこ
とができるので点火栓１５の放電間隙１６の周りに一層
濃い混合気領域を形成することができる。なお、破線で
示すように点火栓１５の放電間隙１６に近い側の衝突面
１０ａの半分のみを傾斜面とすることができる。

第１９図に示す実施例では燃料噴射弁１１の噴孔１２が
点火栓１５の放電間隙１６に近い側に位置する衝突面１
０ａの周線部に指向される。この場合にも多くの噴射燃
料を点火栓１５の放電間隙１６の周りに送り込むことが
できるので点火栓１５の放電間隙１６の周りに一層濃い
混合気を形成することができる。

第２０図に示す実施例では燃料噴射弁１１がシリンダ軸
、ｖＩＸに関して点火栓１５と反対側に配置され、燃料
噴射弁１１から燃料が衝突面１０ａに斜めに衝突せしめ
られる。この実施例でも多くの噴射燃料を点火栓１５の
放電間隙１６例の突出部周壁面１０ｂ周りに送り込むこ
とができるので点火栓１５の放電間隙１６の周りに一層
濃い混合気を形成することができる。

このように第１８図から第２０図に示す実施例では点火
栓１５の放電間隙１６の周りに−Ｎ？Ｈい混合気を形成
することができるので着火性を更に向上することができ
る。

第２１図は衝突面１０ａにカーボンが付着するのを抑制
するようにした実施例を示す。燃料としてメタノールの
ような気化潜熱の大きな燃料を用いた場合には衝突面１
０ａが冷却されるために衝突面１０ａ上にカーボンが付
着しずらいのであるがガソリンのように比較的気化潜熱
の小さな燃料を用いた場合には衝突面１０ａが十分に冷
却されないために衝突面１０ａにカーボンが付着しやす
くなる。衝突面ｔＯａにカーボンが付着すると衝突した
燃料が四方に飛散しずらくなり、衝突面１０ａの周りの
みが過濃となってしまう、従って衝突面１０ａにカーボ
ンが付着するのをできるだけ阻止する必要がある。第２
１図に示す実施例ではピストン２が上死点に達したとき
に衝突面１０ａと燃料噴射弁１１の先端面との間隙Ｓが
小さくなる、例えば２ｍ以下となるように燃料噴射弁１
１が配置される。このように間隙Ｓを２１−程度よりも
小さくするとピストン２が上死点に達したときには間隙
Ｓがクエンチ距離以下となる。その結果、間隙Ｓ内に火
災が伝播しないので衝突面１０ａ上にカーボンが付着す
るのを抑制することができる。また、第２１図に示す実
施例では突出部１０内に空間３５が形成されている。こ
の空間３５内に潤滑油を吹き当てることによって衝突面
１０ａを冷却し、それによって衝突面１０ａにカーボン
が付着するのをより一層防止することができる。

本発明による内燃機関ではメタノールはもとより、ガソ
リン、他のアルコール類、ＬＰＧガス、天然ガスおよび
これらの混合燃料等の種々の燃料を使用することができ
る。特に本発明では実質的に全噴射燃料がキャビティ９
内に送り込まれるのでシリンダ内壁面に付着した潤滑油
が噴射燃料により希釈されることがなく、従ってこれら
の多種燃料を用いた場合であってもシリンダ内壁面に錆
が発生するのを阻止することができる。

また、燃料噴射弁１１として単孔ノズルを使用できるの
で噴射１２が目詰まりを起こすこともなく、また燃料噴
射圧もそれほど高くする必要もない。従って機関の信頬
性および耐久性が向上するばかりでなく、製造コストを
低減することもできる。

なお、燃料としてメタノールを使用した場合には排気ガ
ス中にパティキュレートが全く存在せず、ＨＣ，ＣＯは
もとよりＮＯｘも極めて少ないことが判明している。

〔発明の効果〕

ノッキングが発生しないことから機関の高圧縮比が可能
となり、その結果熱効率が大巾に向上せしめられるので
燃料消費率を大巾に向上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による内燃機関の側面断面図、第２図は
シリンダヘッドの平面断面図、第３図は突出部の種々の
形状を示す側面断面図、第４図は燃料噴射および点火処
理を実行するためのフローチャート、第５図は燃料噴射
開始時期を示す図、第６図は点火時期を示す図、第７図
は燃料噴射時期を示す線図、第８図は点火時期を示す線
図、（第９図は燃料噴射開始時における内燃機関の側面
断面図、第１０図は点火時における内燃機関の側面断面
図、第１１図は熱効率を示す線図、第１２図は別の実施
例を示す内燃機関の側面断面図、第１３図は更に別の実
施例の側面断面図、第１４図は別の実施例を示すピスト
ンの平面図、第１５図は更に別の実施例を示すピストン
の平面図、第１６図は別の実施例を示すシリンダヘッド
の平面断面図、第１７図は吸気制御弁の開度変化を示す
線図、第１８図は別の実施例を示す内燃機関の側面断面
図、第１９図は更に別の実施例を示す側面断面図、第２
０図は更に別の実施例を示す側面断面図、第２１図は更
に別の実施例を示す側面断面図である。 ２・・・ピストン、　　　　３・・・シリンダヘッド、
４・・・燃焼室、　　　　　９・・・キャビティ、１０
・・・突出部、　　　１０ａ・・・衝突面、１１・・・
燃料噴射弁、　１２・・・噴孔、１５・・・点火栓。 ＃ＩＪ２図 俸３図　３°ゝ 第４回 勿８図 第９回 第１１図 岱１２図 第１３図 第１４図 ワ 第１５回 第１６回 第１７国 ＃５１８図 第１９図 第２０回

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ピストン頂面にキャビティを形成すると共に該キャビテ
   ィ内壁面上に突出部を設けて該突出部上に衝突面を形成
   し、シリンダヘッドに設けた燃料噴射弁から大部分の燃
   料を該衝突面に向けて噴射せしめて他の領域よりも濃い
   混合気領域を上記突出部周りに形成し、点火時にこの濃
   い混合気領域内に位置する点火装置をシリンダヘッドに
   取付けた外部点火による燃料噴射式内燃機関。