JPWO2009004838A1 - 筒内噴射型内燃機関 - Google Patents

Abstract

本発明は、スプレーガイド燃焼方式の筒内噴射型内燃機関において、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧を点火プラグの電極部に集約させて、少ない燃料で燃焼性能を十分に確保することを目的とする。本発明は、点火プラグ５の側方に、燃料噴射弁４から噴射された燃料を点火プラグ５の電極部１０に導入する噴霧制御柱３０を備えている。

Description

本発明は、筒内噴射型内燃機関に関し、特にスプレーガイド燃焼方式を採用した内燃機関の構造に関する。

筒内噴射型内燃機関の燃焼方式として、スプレーガイド燃焼方式が知られている。スプレーガイド燃焼方式を採用した内燃機関では、燃料噴射弁から噴射される燃料噴射領域内または燃料噴射領域近傍に電極部が位置するよう点火プラグが設置され、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧により生成された混合気が電極部近傍を通過中に点火が行われる。これにより、電極部近傍を比較的リッチな空燃比とする一方、電極部より離れた位置では超リーンとすることができ、燃焼安定性を確保した上で筒内全体ではリーンな空燃比とした所謂成層リーン燃焼によって、燃費の向上を図ることができる。

一般的な点火プラグの電極部は、中心電極と中心電極側方に配置された棒状の接地電極（以下側極と表記）によって形成されている。上記のスプレーガイド燃焼方式の筒内噴射型内燃機関では、電極部の側方から燃料が噴射されるので、側極の位置によっては側極が燃料噴霧の通過を妨げて電極部へ燃料が供給され難くなるおそれがある。したがって、側極が電極部への燃料輸送を妨げない位置となるように点火プラグの回転位置を固定することが望ましいが、点火プラグは、点火プラグに形成された雄ネジ部と、シリンダヘッドに形成された雌ネジ部が螺合されることで、シリンダヘッドに取り付けられる構造となっているため、側極の位置が一定となるよう、点火プラグの取り付け回転位置を固定することは困難である。ここで、この内燃機関が単気筒である場合では、点火プラグ側極の回転位置が一定とならなくとも燃料噴射時期や点火時期を側極の回転位置に対応して設定することで、燃焼安定性をある程度確保することができるものの、多気筒である場合では、点火プラグ側極の回転位置が各気筒で異なり点火時期及び噴射時期が設定し難くなるおそれがある。

そこで、特開２００６−２９１７９８号公報に示されるように、点火プラグの先端部に円筒状のシュラウドを設け電極部の周囲を覆い、更にこのシュラウドに円周方向に一定間隔で燃料噴霧通過用の孔を設けることで、点火プラグ側極の回転位置にかかわらず電極部への燃料の供給性を一定にすることにより、多気筒の筒内噴射型内燃機関における点火時期及び噴射時期の設定を容易にする技術が開発されている。

上記の特開２００６−２９１７９８号公報に示されるように、電極部の周囲を円筒状のシュラウドで覆うとシュラウドにより燃料の気化は促進されるが、設定できる燃料噴霧通過用孔の大きさは限られるため、効率よく燃料噴霧を電極部に供給しているとは言い難い。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、
燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧を電極部に集約させて、少ない燃料で燃焼安定性を十分に確保できる筒内噴射型内燃機関を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃料噴射弁からの燃料噴霧の噴射経路近傍に電極部が配置された点火プラグとを備え、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が電極部近傍を通過したときに点火する筒内噴射型内燃機関において、前記燃料噴射弁から噴射されて前記点火プラグの側部外方へ向かう燃料を前記電極部へ導入する導入部材を備えている。

本発明の筒内噴射型内燃機関によれば、燃料噴射弁から噴射された燃料のうち、点火プラグの側部外方へ向かう燃料も、導入部材によって点火プラグの電極部に導入されるので、燃料噴霧が集約して電極部に導入されることとなり、少ない燃料で電極部近傍を十分にリッチな空燃比とすることが出来、燃焼安定性を十分に確保できる。

前記導入部材は、好ましくは、燃料噴射弁の噴射口と電極部とを結ぶ線を挟んで電極部の両側に備えられている。

この構成によれば、燃料噴霧から生成された混合気が導入部材によって電極部に向けて両側方から導入される。したがって、電極部において混合気が衝突してその流速を打ち消し合って電極部近傍に滞留するので、高速の気流による点火放電アークの吹き消えを抑制し、点火性能を向上させることができる。

前記導入部材は、好ましくは、前記点火プラグが設けられるシリンダヘッドの前記燃焼室に対応する部分に配置された一対の柱状部材であり、簡単な構成で導入部材を得ることができる。

また好ましくは、前記一対の柱状部材は前記電極部の両側方に設けられ、それぞれに設けられた側面が前記燃料噴射弁の噴射口に対面するように形成されている。

この構成によれば、簡単な構成で、燃料噴射弁から噴射された燃料を集約して電極部に導入することができる。また、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が導入部材の一側面に衝突することで、特に導入部材が高温である場合に燃料の気化が促進され、燃焼安定性を向上させることができる。

また好ましくは、前記一対の柱状部材は前記電極部近傍に設けられ、一方の柱状部材に設けられた側面と他方の柱状部材に設けられた側面が、互いに向き合うように形成されている。

この構成によれば、やはり簡単な構成で、燃料噴射弁から噴射された燃料を集約して電極部に導入することができる。また、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が導入部材の一側面に衝突することで、特に導入部材が高温である場合に燃料の気化が促進され、燃焼安定性を向上させることができる。

また、本発明において、前記燃料噴射弁の噴射口と電極部とを結ぶ線上に、燃料噴霧の通過を妨げる壁部材を更に備えることができる。

この構成によれば、壁部材により、燃料噴射弁から電極部への燃料噴霧の直接の流入を妨げることができるとともに、防風壁の役割も果たすため、電極部での燃料噴霧による放電アークの吹き消えを防止することができる。

本発明に係る筒内燃料噴射型エンジンの概略構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る燃焼室内上部の構造を示す正面図である。 同第１の実施形態に係る燃焼室内上部の構造を示す下面図である。 電極部での混合気の形成状態を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態における側極の位置と噴射時期及び点火時期の安定燃焼領域との関係を示すグラフである。 噴霧制御柱のない従来例における側極の位置と噴射時期及び点火時期の安定燃焼領域との関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る燃焼室内上部の構造を示す正面図である。 同第２の実施形態に係る燃焼室内上部の構造を示す下面図である。 本発明の他の実施形態における燃焼室内上部の構造を示す下面図である。 本発明の他の実施形態における燃焼室内上部の構造を示す下面図である。 本発明の更に別の実施形態における燃焼室内上部の構造を示す下面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係るエンジン１（内燃機関）の概略内部構造図である。

図１に示すように、本実施形態のエンジン１は、スプレーガイド燃焼方式を採用した多気筒の筒内燃料噴射型エンジンであり、そのシリンダヘッド２には、燃焼室３に臨んで燃料噴射弁４と点火プラグ５とが気筒毎に設けられている。エンジン１のピストン６の上面には、略中央部に円筒状の窪みであるキャビティ７が形成されている。

燃料噴射弁４は、燃料噴射方向が指向性を有しており、キャビティ７の縁部７ａに向かってカーテン状に燃料噴霧が噴射され、その一部が点火プラグ５の先端部を含む領域を通過するように設定されている。点火プラグ５は、シリンダヘッド２に設けられた雌ねじに螺合して固定されており、放電アークが発生する先端の電極部１０が燃料噴射弁４の噴射口１１に近接して配置されている。また、点火プラグ５には、電極部１０の側方に電極部の一部をなす棒状の側極１２が形成されている。

点火プラグ５及び燃料噴射弁４はＥＣＵ２０と電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、エンジン１の回転速度を検出する回転速度センサ２１、スロットル開度を検出するスロットルセンサ２２、アクセル操作量を検出するアクセルポジションセンサ２３等のセンサ類とも電気的に接続されており、これらのセンサ類からの情報に基づき、燃料噴射弁４による燃料噴射量や燃料噴射時期及び点火プラグ５による点火時期等を制御する。

図２Ａは、本発明の第１の実施形態に係る燃焼室内上部の構造を示す正面図、図２Ｂは、同第１の実施形態に係る燃焼室内上部の構造を示す下面図である。

本実施形態では、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、点火プラグ５の側方に電極部１０を挟んで、柱状部材である噴霧制御柱３０（導入部材）が２個立設している。噴霧制御柱３０は、シリンダヘッド２の下面から下方に向けて、先端が点火プラグ５の先端の電極部１０と燃料噴射弁の噴射口１１とを結ぶ線ＣLと概ね同じ上下位置まで延びており、その横断面の形状は中心角が９０度の扇状であって、平面状の第１の側面３０ａ及び第２の側面３０ｂと曲面状の第３の側面３０ｃとを有している。

各噴霧制御柱３０は、第１の側面３０ａが電極部１０の側方位置で燃料噴射弁４の噴射口１１と電極部１０とを結ぶ線ＣLに対して垂直に噴射口１１と対面するように、かつ第２の側面３０ｂが電極部１０の側方位置から噴射口１１と電極部１０とを結ぶ線ＣLに対して平行に噴射口１１とは反対方向に延びるように配置されている。

また、図２Ｂに示すように、燃料噴射弁４から噴射された燃料噴霧は、少なくとも一部が噴霧制御柱３０へ向かうように設定されている。

図３は、電極部１０での混合気の形成状態を示す説明図である。

以上の構成により、本実施形態では、図３に示すように、燃料噴射弁４から噴射された燃料噴霧は、噴霧制御柱３０の第１の側面３０ａに衝突し混合気を生成する。この混合気は、第１の側面３０ａに沿ってその一部が電極部１０に向かって導入される。電極部１０近傍で両側の噴霧制御柱３０から互いに反対方向に流入してきた混合気は衝突し、電極部１０付近に雲状となって滞留する。そして、電極部１０で放電アークを発生させることで、電極部１０付近に滞留する混合気が点火される。

上記のように、本実施形態では、燃料噴射弁４から噴射された燃料噴霧は、噴霧制御柱３０の第１の側面３０ａに衝突することで、噴霧制御柱３０の熱によって気化が促進される。したがって、点火プラグ５の電極部１０での燻りが抑制され点火性能が向上する。また、点火プラグ５の側方で噴霧制御柱３０は燃料噴射弁４から噴射された燃料噴霧を遮り、第１の側面３０ａに沿って電極部１０に導入するので、燃料噴霧を電極部１０に集約させることができる。したがって、燃料噴射弁４の製造バラつきや経年変化により燃料噴射方向が変化しても、電極部１０への燃料の供給量が確保され、少ない燃料噴射量で確実に点火することが可能となる。更に、電極部１０で、互いに反対方向から混合気が流入して衝突することで、混合気の流速が打ち消されて低下するので、高速の気流による放電アークの吹き消えを防止することが出来、点火性能を向上させることができる。したがって、点火プラグ５の点火エネルギを抑制することで点火プラグ５の寿命を増加させることができるとともに、スプレーガイド燃焼方式での高速の燃料噴霧や気流に起因した脆弱な点火安定性を改善することができる。

また、本実施形態では、燃料噴霧は燃料噴射弁４から直接電極部１０に到達するのではなく、噴霧制御柱３０の第１の側面３０ａに衝突して電極部１０の両側方から電極部１０に導入されるので、例え側極１２が電極部１０と燃料噴射弁４の噴射口１１とを結ぶ線ＣL上に位置していたとしても、燃料の導入経路から外れていることから燃料の導入を妨げることなく十分に電極部１０に到達させることができる。また、一方の噴霧制御柱３０の第１の側面３０ａから電極部１０へ向かう経路上に側極１２が位置していたとしても、他方の噴霧制御柱３０から電極部１０への燃料噴霧の導入経路は確保される。したがって、点火プラグ５の取り付け回転位置に伴って側極１２がいずれの回転位置に位置していたとしても、燃料噴射弁４から電極部１０への燃料噴霧の供給性が確保される。

図４Ａは、本発明の第１の実施形態における側極１２の回転位置と安定燃焼領域となる噴射時期及び点火時期との関係を示すグラフであり、図４Ｂは、噴霧制御柱３０のない従来例における側極１２の回転位置と安定燃焼領域となる噴射時期及び点火時期との関係を示すグラフであり、図４Ａに対する比較例として示す。なお、側極１２の回転位置は、電極部１０と燃料噴射弁４の噴射口１１とを結ぶ線ＣL上に位置する場合を１８０degに、噴射口１１に対して反対方向に位置する場合（図２Ａ及び図２Ｂに示す回転位置の場合）を０degとする。

図４Ｂに示すように、従来例のように噴霧制御柱３０のない場合では、側極１２の回転位置が１８０degであるときに、側極１２により燃料噴霧の通過が遮られ、燃料噴霧が電極部１０に到達し難くなるので、安定燃焼領域が狭くなってしまう。したがって、従来例では、多気筒エンジンにおいて、側極１２の回転位置がいかなる場合でも安定した燃焼を図るためには、図中ハッチング部で示すように極めて狭い範囲に噴射時期及び点火時期を設定しなければならず、実用的ではない。一方、本実施形態では、図４Ａに示すように、側極１２の回転位置に関わらず広い範囲で燃焼安定性が確保されるので、噴射時期及び点火時期の設定が容易となる。

図５Ａは、本発明の第２の実施形態に係る燃焼室内上部の構造を示す正面図、図５Ｂは、同第２の実施形態に係る燃焼室内上部の構造を示す下面図である。

図５Ａ及び図５Ｂに示すように、第２の実施形態では、第１の実施形態に対して、更に電極部１０と燃料噴射弁４の噴射口１１とを結ぶ線ＣL上に、燃料噴霧や燃料噴霧に誘起された気流の通過を妨げる防風壁４０（壁部材）が設けられている。これにより、燃料噴霧の電極部１０への直接の流入が防げられるので、燃料噴霧による放電アークの吹き消えや点火プラグ５の燻りを確実に防止することができる。

図６、図７は、それぞれ本発明の他の実施形態における燃焼室内上部の構造を示す下面図である。

本発明では、図６に示すように、噴霧制御柱３０を１個にすることも可能である。また、図６に示すように噴射口１１に対面する第１の側面３０ａを弓状にしたり、図７に示すように噴霧制御柱３０の断面の中心角を９０度以上とし第１の側面３０ａを電極部１０と燃料噴射弁４の噴射口１１とを結ぶ線ＣLに対して傾斜させたりすることで、噴霧制御柱３０に衝突した燃料噴霧がより多く電極部１０に導入されるようにすることが可能である。

図８は、本発明の更に別の実施形態を示す。この実施形態においては、一対の噴射制御柱３０が、電極部１０と燃料噴射弁４の噴射口１１との間における電極１０に近い部分において、電極部１０と噴射口１１とを結ぶ線ＣＬを挟んで両側に設けられている。また、一方の噴射制御柱３０の側面３０ｄと他方の噴射制御柱３０の側面３０ｄが、互いに向き合うように形成されている。また燃料噴射弁４の噴射口１１からは、複数の放射方向へ向けて燃料が噴射され、その中の２つは、それぞれ噴射制御柱３０の側面３０ｄに向けて噴射され、これにより、その噴射された燃料が、図に示した矢印のように、側面３０ｄで反射されて電極部１０へ導入されるものである。

なお、図６及び図７に示される実施形態、あるいは図８に示される実施形態においても、上述の第２実施形態と同様に、電極部１０と燃料噴射弁４の噴射口１１とを結ぶ線ＣL上に、燃料噴霧や燃料噴霧に誘起された気流の通過を妨げる防風壁４０（壁部材）が設けることができる。これにより、燃料噴霧の電極部１０への直接の流入が防げられるので、燃料噴霧による放電アークの吹き消えや点火プラグ５の燻りを確実に防止することができる。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の形態はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では燃料をカーテン状に噴射しているが、カーテン状でなくても本発明を実施することが可能である。また、噴霧制御柱３０の横断面形状は扇形であったが、四角形とすることも可能である。

Claims (6)

1. 燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁からの燃料噴霧の噴射経路近傍に電極部が配置された点火プラグとを備え、前記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が前記電極部近傍を通過したときに点火する筒内噴射型内燃機関において、
   前記燃料噴射弁から噴射されて前記点火プラグの側部外方へ向かう燃料を前記電極部へ導入する導入部材を備えたことを特徴とする筒内噴射型内燃機関。
2. 前記導入部材は、前記燃料噴射弁の噴射口と前記電極部とを結ぶ線を挟んで両側に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射型内燃機関。
3. 前記導入部材は、前記点火プラグが設けられるシリンダヘッドの前記燃焼室に対応する部分に配置された一対の柱状部材であることを特徴とする請求項２に記載の筒内噴射型内燃機関。
4. 前記一対の柱状部材は前記電極部両側方に設けられ、それぞれに設けられた側面が前記燃料噴射弁の噴射口に対面するように形成されたことを特徴とする請求項３に記載の筒内噴射型内燃機関。
5. 前記一対の柱状部材は前記電極部近傍に設けられ、一方の柱状部材に設けられた側面と他方の柱状部材に設けられた側面が、互いに向き合うように形成されたことを特徴とする請求項３に記載の筒内燃料噴射型内燃機関。
6. 前記燃料噴射弁の噴射口と前記電極部とを結ぶ線上に、燃料噴霧の通過を妨げる壁部材を更に備えた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型内燃機関。