WO2000077361A1 - Moteur a combustion interne du type a injection de cylindres - Google Patents

Claims

明 細 書 筒内噴射式内燃機関 技術分野 本発明は、 燃料を直接燃焼室内に噴射し、 燃焼室上部に取り付けた点 火プラグで着火するタイプの所謂筒内噴射式内燃機関に関し、 殊にビス トン頂面に凹部を設け、 空気流動によって燃料 · 空気混合気を点火ブラ グへ搬送し、 成層燃焼する筒内噴射式内燃機関に関する。 背景技術 この種筒内噴射式内燃機関は、 例えば特開平 6— 8 1656号， 特開平 10— 8967号， 特開平 10— 3044 1号， 特開平 1 0— 1 10660 号， 特開平 10— 1 1 0662 号， 特開平 10 - 169447号， 特開平 9— 3 17475号， 特開平 1 0— 169447 号， 特開平 7— 293259号， 特開平 7— 293259号， 特開平 I I一 50847 号公報， 米 国特許 5878712 号明細書等で知られている。 これら従来の筒内噴射式内燃機関では、 ビス トン頂面に凹部を設け、 この凹部を利用して燃焼室内にタ ンブル空気流を形成し、 この空気流で ブラグ近傍に燃料の濃い層を形成しょう と している。 しかしながら、 従来の構成ではタンブル空気流によつて燃料が燃焼室 内に拡散される可能性が高く 、 ピス トン頂面や、 燃焼室内の壁面に燃料 が付着し、 排気ガス中に有害物質の未燃焼ハイ ド口カーボン （ T H C ) が排出される問題がある。 また燃料噴射時期がピス トンの位置によって制限されるためエンジン 回転数が変わると燃費性能に最適な燃料噴射時期を選択できない。 本発明はこのような問題に着目 し、 ビス トンに設ける凹部形状を工夫 2 する こ と によ リ ピス トンへの燃料付着を減少 して排気ガス中に含まれる 有害物質を低減し、 ま た燃費性能の向上を計ること を 目的とする。 発明の開示 上記の目的を達成するため本発明では、 点火プラグを燃焼室の中心上 部に、 燃料噴射弁を吸気弁側の燃焼室側部に設け、 ピス トン頂面には点 火プラグと燃料噴射弁を含む平面に沿う 凹部 （溝） を設け、 燃料噴射弁 の下方から上方に向かう上昇空気流と燃料噴射弁から点火プラグに向か う順タ ンブル空気流を生成できる よ う に した。 好適には、 ピス トン頂面の凹部は曲面で形成され、 この凹部の吸気弁 側端部における曲面の接線が、 内燃機関のクランク角が上死点前 4 0 ° でのビス ト ン位置において、 前記燃料噴射弁のノ ズル先端よ リ下に位置 する よ う に構成した。 これによ り 、 順タ ンブル流がビス ト ン頂部の凹部に沿つてシリ ンダブ ロ ッ クの壁面に導かれ、 燃焼室内壁に沿って燃料噴射弁下方に噴き上が リ 、 燃料噴射弁から点火プラグを通過して回転する順タ ンブル流が生成 される。 このよ う な順タ ンブル空気流に燃料を乗せて燃料噴射弁から点火ブラ グに燃料を搬送すれば、 燃料噴霧を ビス トンに付着させる こ とな く 火ブ ラグ近傍に到達させる こ とが可能と な り 、 高負荷， 高回転の運転条件で も安定した着火性能が得られ、 高負荷， 高回転まで成層運転が可能であ る。 ま た凹部の幅を排気弁側から吸気弁側に向けて徐々 に狭める ことによ リ 、 順タ ンブル流の噴き上げ速度を大き く することが可能で、 これによ リ ピス トンへの燃料付着がよ り低減でき、 点火プラグ近傍への燃料の搬 送がよ リ確実になる。 図面の簡単な説明 第 1 図は本発明の原理を用いた筒内噴射型内燃機関の燃料噴射直後に おける空気と噴射燃料の挙動を説明するための断面図である。 第 2図は本発明の一実施例の構成を示す全体斜視図である。 第 3図は本発明の一実施例のピス トン形状である。 第 4図は本発明の他の実施例のピス トン形状である。 第 5図は本発明の更に他の実施例のピス トン形状である。 第 6図は本発明の原理を説明するための模式図である。 第 7図は本発明の原理を用いた筒内噴射型内燃機関の吸気行程の断面 図である。 第 8図は本発明の原理を用いた筒内噴射型内燃機関の点火時期におけ る内燃断面図である。 第 9図は本発明の原理を用いた筒内噴射型内燃機関の燃料噴射直後に おける内燃機関の断面図である。 第 1 0図は本発明の原理を用いた筒内噴射型内燃機関の点火時期にお ける内燃機関の断面図である。 第 1 1 図乃至第 1 5図は本発明に用いるピス トンの種々の形態を示す 斜視図である。 第 1 6図は本発明の効果を説明する空燃比のシミ ュレーシ ョ ン図であ る。 第 1 7図は本発明の効果を説明する燃料の挙動のシミ ュレーシ ョ ン図 である。 4 発明を実施するための最良の形態 本発明の実施例を、 第 1 図， 第 2 図を用いて説明する。 第 1 図は本発明の原理を説明するための筒内噴射式内燃機関の構成を 示す図面である。 第 2 図は本発明の原理を用いた実施例に係る筒内噴射式内燃機関の構 成図である。 第 1 図， 第 2 図で同一符号のものは同一機能のものを表す , シ リ ンダブロ ック 1 の上にシ リ ンダヘッ ド 2 を設置し、 シリ ンダブ口 ッ ク 1 内に凹部 3 の設けられたピス トン 4 を設ける。 上記シリ ンダへッ ド 2 と ビス トン 4 によ って構成される空間が燃焼室 5 である。 シ リ ンダ へッ ド 2 はペン トルーフ型となっている。 シ リ ンダへッ ド 2 には燃焼室 5 に開口する吸気管及び排気管が形成さ れ、 気筒毎に二本の吸気管 6 と排気管 7 が形成されている。 吸気管 6 に は吸気弁 8 が、 排気管 7 には排気弁 9 が設けられている。 燃焼室 5 内の吸気弁側周縁部には燃焼室 5 内に直接燃料を噴射するよ う に燃料噴射弁 1 0 が取付けられ、 点火プラグ 1 1 は点火ギャ ップが燃 焼室 5 の天井部中央に位置する よ う に設けられている。 上記燃料噴射弁 1 0 は燃料噴霧 1 2 に旋回力を与える よ う な噴出口形状を有する高圧旋 回式燃料噴射弁を用いている。 吸気弁 8 の上流には吸気管 6 の流路を上下に 2分する整流板 1 3 を、 その上流には分流弁 1 4 を設ける。 分流弁 1 4 は 9 0 ° の範囲で稼動し 整流板 1 3 によ って 2分された流路のう ち下部流路を塞いで吸気管 6 の 流路面積を減ら した場合は燃焼室 5 内に生成される順タ ンブル流の速度 が速く なる。 順タ ンブル流の速度を早く する必要がないと き、 ま たは燃焼室 5 に空 気を多く 吸入する場合は下部流路を開けるよ う に動作する。 吸気弁 8 ， 排気弁 9 は上部に設けられたカムシャフ ト （図には記述を 省 く ） によ って上下に動作し、 ピス トン 4は孔 4 a に連結ピンを揷通す る こ とによ ってコ ンロ ッ ド 1 5 と回動可能に連結されてお り 、 その結果 ピス ト ン 4 はこのコ ンロ ッ ド 1 5 を介してクランク軸 （図には記述を省 く ） に連動 して上下に動作する。 凹部（溝）の形状は第 3 図及び第 1 1 図に示すよ う に、 ピス トン頂面が 山型のものに半径 Rの窪みと して形成したたもので、 前記凹部の幅は排 気弁側から吸気弁側に向かう につれ徐々 に狭く なる。 この溝によ リ ビス トンが上昇して燃焼室の容積が小さ く なってもタ ンブル空気流が十分に 維持されるので、 高回転時にも成層燃焼が可能になる。 ま た、 空気流が燃料噴射弁の下部にまで十分に回 り込むので二分され た吸気管の下方の通路（分流弁で遮蔽されている）から洩れて く る漏れ空 気流によ る二次渦の発生がな く な り この点でもタ ンブル空気流が十分に 維持され、 プラグ回 り に搬送できる燃料の量が多く なる。 ま た、 溝の幅を排気弁側から吸気弁側に徐々 に狭めてい く 構成にする と順タ ンブル流の噴き上げ速度を大き く する ことが可能で、 これによ り ビス ト ンへの燃料付着がよ り低減でき、 点火プラグ近傍への燃料の搬送 がよ リ確実になる。 この溝はピス トン 4 とコ ンロ ッ ド 1 5 との連結ピン及びこのピン揷入 孔 4 a に対して直角に形成されている。 その結果コ ンロ ッ ドの回転に対 してアンバラ ンスを生じる こ とがない。 ま たビス トンの周方向のバラ ン スを崩すこ ともない。 本発明における ピス トンに設けた凹部 3 の形状は第 3 図に示す形状に 限定されるものでなく 、 第 4 図のよ う に凹部 3 の幅が一定である場合や 第 5図のよ う に凹部 3 が曲面と平面で構成される場合もある。 ま たピス ト ン頂面が平らなものにも適用できる。 この例を第 1 2 図乃 至第 1 5 図に示す。 第 1 2 図のものではビス ト ンの排気弁側から吸気弁側まで均一な深さ で、 均一な幅の溝を設けたもので、 形状がシンプルであるので加工が容 易である。 ま たピス トンの熱分布が比較的均一に維持できるので効率の低下が少 ない。 第 1 3 図のものは溝の幅を排気弁側が広く て吸気弁が側が狭く構成さ れている。 ま た、 溝の深さ は、 排気弁側が深く 、 吸気弁側が浅く なるよ う に構成されている。 この構成では、 二つの吸気弁からの吸気が無理な く 合流させて一つの タ ンブル流を形成できる利点がある。 勾配を付けたこ とでタ ンブル流が燃料噴射弁の下部で上昇空気流にな ると きスムーズに方向転換ができエネルギーを失う こ とがないので強い タ ンブル空気流が得られる利点がある。 第 1 4図のものでは溝の断面が第 1 2 図， 第 1 3 図のもののよ う に矩 形ではな く 、 弧状である。 ま た、 この直径が排気弁側で大き く 、 吸気弁 側で小さ く 構成されている。 この構成では、 溝が回転研削だけで加工で きるので作業性が良い利点がある。 ま た、 溝に角部がないので溝における空気の流れがスムーズになって 流体損失が低減でき、 その分強いタ ンブル流を生成できる利点がある。 第 1 5 図に示すものでは更に排気弁側から吸気弁側に曲率を持っ た勾 配を付けたものである。 これによれば空気流がその曲率に沿って空気が スムーズにガイ ドされ、 更に流体損失が低減できるのでよ り 強いタ ンブ ル空気流を得ることができる。 本実施例では第 6 図に示すよ う に、 凹部を形成する曲面の吸気弁側端 部における接線 Lが、 ピス トンが上死点前 4 0 ° の位置において燃料噴 射弁 1 0 のノ ズル先端よ り下に位置する こ と と、 凹部を形成する曲面の 排気弁側端部と ピス トン頂面の交叉する位置が点火プラグ 1 1 の電極位 置よ り 排気弁側に位置する こ とである。 ま た、 第 3 図のよ う に凹部の幅が排気弁側から吸気弁側に向かう につ れ狭く なる こ と、 ピス トン位置がクラ ンク角上死点前 4 0 ° の位置にお いて、 吸気弁側凹部と ビス トン頂面の接続位置が燃料噴射弁の中心線よ リ も下となる こと、 前記ク ラ ンク角で燃料を噴射した場合に凹部から燃 料がはみ出さ ない幅の長さの凹部形状を有する こと を特徴とする。 次に本実施例の動作について説明する。 低負荷運転では燃費性能の向上のため燃料噴射量を空燃比の 4 0 とす る。 空燃比 4 0 の場合には混合気が均一に混合すると プラグ周 り は希薄 にな り 過ぎて着火できないため、 燃料分の濃い混合気を点火プラグ周 り に成層状に集めて燃焼させる成層運転が必要となる。 本実施例では成層化のために燃焼室 5 内に順タ ンブル流を生成し、 こ の順タ ンブル流によ って燃料を点火プラグ 1 1 へ搬送し成層化を実現す る。 第 1 図に示すよ う にエンジン回転数 1 4 0 0 rpm で燃焼室内平均有効 圧力が 3 2 0 Kp a (キロパスカル） のと き、 上死点前 7 0 d egで燃料を噴 射して （①） タ ンブル空気流に燃料を乗せて点火プラグ位置ま で搬送す る。 燃料は約 3 . 1 2 mse c 後に点火プラグの回 り に到達し、 この時ち よ う ど点火プラグが着火タイ ミ ング（上死点前 3 5 d eg ) となる （②） 。 ま た、 エンジン回転数 3 2 0 0 rpmで燃焼室内平均有効圧力が 3 5 0 Kpa (キロパスカル） のと き、 上死点前 9 0 d egで燃料を噴射して （①） タ ンブル空気流に燃料を乗せて点火プラグ位置まで搬送する。 燃料は約 3. 0 msec 後に点火プラグの回 り に到達し、 この時ち よ う ど点火プラグ が着火タ イ ミ ング（上死点前 3 0 deg ) となる （②） 。 （我々 はタ ンブル ガイ ド方式と呼ぶ ) 種々 の運転領域で燃料噴射から着火タ イ ミ ングまでの時間を計測する と、 3 msec乃至 3. 1 5 msecの範囲に入る ことが分かつた。 従って、 本実施例では成層運転する領域では回転数や、 負荷に係わら ず、 燃料は点火次期の 3 msec乃至 3. 1 5 mse cで噴射すれば良い。 このよ う に、 本実施例では燃料が燃焼室内の中で非常に短い旅程で点 火プラグの回 り に搬送されるので燃焼室内の内壁や、 ビス ト ンに燃料が 付着する可能性を少な く する ことができた。 この様子をシ ミ ュ レーショ ン したのが第 1 6 図， 第 1 7 図である。 条件は、 エンジン回転数 3 2 0 0 rpm で燃焼室内平均有効圧力が 350 Kpa (キロパスカル） のと き、 上死点前 8 0 degで平均粒径 1 6. 3 ミ ク ロンの燃料を噴射（噴射期間 1 . 7 3 msec) した。 その時の空燃比は 4 0 (空気 4 9 6 mgZ燃料 1 2. 4mg) 、 燃料噴射弁 の取付け角 Θ (第 6 図参照） は 3 6度、 噴霧角 Θ 0 (第 6 図参照） は 7 0 度、 タ ンブル空気の強さは 1 . 9 5 (ピス ト ンが燃焼室内を一往復する間 に空気が燃焼室内を 1 . 9 5 回転する） と した。 第 1 6 図の分解図はそれぞれ、 燃料噴射後 1 O deg ごとの燃料と空気 の割合 f Z a (燃料 空気） の変化を示す。 白い部分は燃料 1 0 0 %の部分、 青い部分は空気 1 0 0 %の部分でそ の中間ではピンク ， 赤， 黄， 緑， 青の順に燃料が少な く なつていく こと を示している。 中央の山の部分に点火プラグが取り付けられているので、 上死点前 3 0 de g 時点では （下段中央） 燃料がビス トンには接触しないで点火プ ラ グの回 り に集ま っているのが解かる。 下段右端は上死点前 3 0 de g 時点で点火しないでそのま ま燃料の挙動 をシ ミ ュレー ト したものである力 、 この時点でも燃料の先端がピス トン の溝に沿って旋回 しょ う と してお リ タ ンブル空気流の効果が残っている のが確認できる。 つま リ 、 圧縮行程において時間の経過と ともにビス トン 4が上昇して も、 凹部を設ける ことによ って順タ ンブル流 1 6 が十分に保存される。 ま た第 3 図に示したよ う に凹部 3 の幅が排気弁側から吸気弁側に向け て徐々 に狭く した場合、 二つの吸気弁からの二本の順タ ンブル流が凹部 3 によ って集め られ、 燃料噴射弁 1 0下部で一本にま とめ られた順タ ン ブル流 1 6 の速度はよ り速く なる。 この順タ ンブル流 1 6 は燃料噴霧 1 2 を上方向へ持ち上げてピス トン 4への燃料付着を防止すると とも に、 第 8 図に示すよ う に、 気化した燃 料 · 空気混合気 1 7 を分散させる こ とな く 点火プラグ 1 1 へ搬送する。 そ して、 燃料 · 空気混合気 1 7 を点火プラ グ周 り に成層化させ、 点火時 期において安定に着火する ことができる。 本実施例では順タ ンブル流 1 6 によ つて燃料を点火ブラグ 1 1 へ搬送 するが、 順タ ンブル流 1 6 は燃料噴射開始時期が早く なつてもフ 口一パ ターンは変わる こ とがない。 順タ ンブル流 1 6 の速度が増すため搬送に かかる時間は適度に短く な リ 、 中回転， 高回転でも安定して燃料を点火 プラグ 1 1 へ搬送する こ とが可能で、 ピス トンへの燃料付着量を低減す る ことができる。 低負荷低回転の場合、 1 サイ クルの時間が長く な り燃料分散防止のた め最適な燃料噴射開始時期は遅く なる。 ま た、 回転数に比例して順タ ン 1 0 ブル流 1 6 の気流速度も小さ く なるが本実施例では順タ ンブル流 1 6 が 存在するため、 燃料の搬送は確実に行われる。 特に本実施例では燃料分散を防止するため、 低負荷低回転域での燃料 噴射開始時期であるクラ ンク角上死点前 4 0 ° でのピス トン位置におい て、 ピス トンの凹部の吸気弁側端部の接線が燃料噴射弁 1 0 の中心線よ り下とな り 、 且つ、 噴射された燃料噴霧が凹部 3 からはみ出さない幅を 持つ凹部形状とする。 これによ つて凹部 3 よ り 吸気弁側のビス トン 4頂面への燃料付着を防 止するとともに、 燃料が凹部 3 からはみ出 し分散する こ とが防止できる ま た、 この構成によれば、 エンジン回転数に応じてタ ンブル空気流の 強さ も比例的に変化するため、 高回転の場合でも最適噴射時期をビス ト ンの位置に寄らず選択する こ とが可能である。 第 9 図は、 点火（着火）タ イ ミ ングに先立って燃料噴射弁から燃料を噴 射してタ ンブル空気流に乗せた状態を示す。 第 1 0 図は約 3 ms ec後の点火タイ ミ ング （ *エンジン回転数 1 4 0 0 rpm , 燃焼室内の平均有効圧力 3 2 0 キロパスカルで上死点前 3 5 d eg , * *エンジン回転数 3 2 0 0 rpm ， 燃焼室内の平均有効圧力 3 5 0 キロ パスカルで上死点前 3 0 de g ) の状態であ り 、 燃料嘖霧 1 7 がち ょ う ど 点火プラグの回 り に搬送されている。 産業上の利用可能性 ピス トンに設ける凹部（溝）形状を最適にする本発明は筒内噴射式内燃 機関は勿論、 それに用いられる ビス ト ン自体にも利用できる。 ま た、 ピス トンの頂部がフラ ッ トな筒内噴射式の内燃機関にも適用で きる。 請 求 の 範 囲

1 . 点火プラグを燃焼室の中心上部に、 燃料噴射弁を吸気弁側の燃焼室 側部に設け、 ビス トン頂面には前記点火プラグと前記燃料噴射弁を含む 平面に沿って凹部 （溝） を設け、 この溝に沿って前記燃料噴射弁の下方 から上方に向かう上昇空気流と前記燃料噴射弁から前記点火プラグに向 かう 空気流を生成し、 この空気流に前記燃料噴射弁から噴射した燃料噴 霧を乗せて点火プラグに燃料を搬送する筒内噴射式内燃機関。

2 . 前記ピス トン頂面の凹部は曲面で形成され、 この凹部の吸気弁側端 部における曲面の接線が、 内燃機関のクラ ンク角が上死点前 4 0 ° での ビス ト ン位置において、 前記燃料噴射弁のノ ズル先端よ り下に位置する よう に構成した請求の範囲 1 に記載した筒内噴射式内燃機関。

3 . 前記ビス トン頂面の凹部の幅を排気弁側から吸気弁側に向けて徐々 に狭めた請求の範囲 1 乃至 2 に記載 した筒内噴射式内燃機関。

4 . 前記ビス ト ン頂面の凹部の深さが排気弁側から吸気弁側に向かう に つれて減少する よ う構成した請求の範囲 1 乃至 3 に記載した筒内噴射式 内燃機関。

5 . コ ンロ ッ ドに連結ピンによ って連結される ピス トンであって、 当該 ピス トンの頂面に前記連結ピンの通る孔に対して直角な溝を備えた筒内 噴射式内燃機関用のビス ト ン。

6 . 前記ビス トン頂面の溝の幅を一方側から他方側に向けて徐々 に狭め た請求の範囲 5記載の筒内噴射式内燃機関用のピス トン。

7 . 前記ビス トン頂面の溝の深さが一方側から他方側に向かう につれて 減少するよ う構成した請求の範囲 5乃至 6 記載の筒内噴射式内燃機関用 のビス 卜ン。