JP2004332554A - 直憤式火花点火機関 - Google Patents

Abstract

【課題】成層燃焼時に運転条件が変化しても常に適正な可燃濃度の混合気層を形成することが可能な直憤式火花点火機関を提供する。
【解決手段】シリンダ上部に燃料噴射弁１１と点火栓１２を備え、ピストン冠面に前記燃料噴射弁からの燃料噴霧を受け止めるキャビティ２３を形成する。キャビティ２３を、その底面部２４よりも開口部２６が拡がるように傾斜した内壁面２５をもち、ピストン圧縮行程で燃料噴射弁１１から噴射された燃料噴霧が、常に内壁面２５に衝突し、かつ内壁面２５に衝突するときの角度が常にキャビティ外側に鋭角となるように設定し、燃料噴霧がキャビティ内側に向く循環流を形成するようにした。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は燃料を燃焼室内に直接噴射する火花点火式の内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
点火栓による火花点火内燃機関にあって、低、中負荷域で圧縮行程後半で燃焼室内のキャビティに向けて燃料を直接噴射することにより、層状となった混合気塊を形成し、ここに点火栓による点火を行うことで、リーン混合気でありながら安定した成層燃焼を図るようにしたものが、特許文献１に開示されている。
【０００３】
この直憤式内燃機関では、成層燃焼時に点火栓近傍に確実に可燃濃度の混合気塊を形成することが非常に重要となるが、このためにピストン冠面にキャビティを形成し、このキャビティ内に向けて燃料を噴射し、噴霧燃料がキャビティ内壁面で反射、循環し、点火栓に向けて舞い上がり、点火栓近傍に適正な混合気層を形成するようにしている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−８２０２８号公報
【０００５】
【発明の解決すべき課題】
このような成層燃焼の運転領域において、負荷に応じて要求燃料噴射量が変化すると、比較的多くの燃料を噴射するときには噴射時間が長くなるため、その分だけ噴射時期を早める必要がある。
【０００６】
しかし、上記した直憤式内燃機関では、キャビティの形状が、キャビティ内部での断面積がキャビティ開口部よりも大きく、つまりキャビティが内側につぼまるような形状となっているため、燃料噴射時期が早まると、ピストン冠面との距離が大きいうちに噴射される燃料は、キャビティ内に入らずに外側に拡散してしまう。この場合には混合気の層状化が難しくなり、良好な成層燃焼が得られなくなる。
【０００７】
このため、燃料噴射時期をそれほど早めることはできず、燃料噴射量が大きい領域では、結果的に噴射時期が要求噴射時期よりも遅れることになり、キャビティ内の混合気が過濃となりやすく、良好な成層燃焼が実現できないという問題があった。
【０００８】
本発明は運転条件が変化しても常に適正な可燃濃度の混合気層を形成することが可能な直憤式火花点火機関を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、シリンダ上部に燃料噴射弁と点火栓を備え、ピストン冠面に前記燃料噴射弁からの燃料噴霧を受け止めるキャビティを形成した直憤式火花点火機関において、前記キャビティを、その底面部よりも開口部が拡がるように傾斜した内壁面をもち、ピストン圧縮行程で前記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が、常に前記内壁面に衝突し、かつ前記内壁面に衝突するときの角度が常にキャビティ外側に鋭角となるように設定し、前記燃料噴霧がキャビティ内側に向く循環流を形成するようにした。
【００１０】
【作用・効果】
したがって、圧縮行程で燃料噴射を行う成層燃焼時には、燃料噴射時期が変化しても、常に傾斜したキャビティ内壁面と燃料噴霧が衝突し、かつキャビティ内側に向けての循環流が形成され、これにより空気を巻き込みつつ点火栓の近傍に適正な可燃濃度の混合気層を形成し、良好かつ安定した成層燃焼を実現できる。
【００１１】
【実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
まず、第１の実施形態を図１に示す。
【００１３】
図１において、１はシリンダヘッド、２はシリンダブロック、３はシリンダ内で上下動するピストンで、これらにより燃焼室４が画成される。シリンダヘッド１には、吸気ポート６と排気ポート７が形成され、これら吸気、排気ポート６、７と燃焼室４との連通を機関回転に同期して開閉する吸気弁８と排気弁９とが設けられる。
【００１４】
燃焼室４の上部に位置して、シリンダヘッド１には、好ましくは、ピストン３と略同軸上に燃料噴射弁１１が配置され、ピストン軸心に向けて下方に、かつ円錐状に拡がるように燃料を噴霧する。後述するように、この燃料噴霧は、ピストン３の冠面２２に形成されるキャビティ２３との関係から、その噴霧の拡がり角度が適切に設定される。
【００１５】
燃料噴射弁１１の近傍には点火栓１２が配設され、圧縮上死点付近の適切な点火時期において点火し、混合気に着火する。
【００１６】
前記冠面２２に形成されるキャビティ２３は、ピストン軸心と略一致する中心をもち、全体的には円形に形成される。さらにキャビティ２３は、平らな平面で形成される底面部２４と、その周囲から斜めに直線的に立ち上がる傾斜した内壁面２５とから形成され、キャビティ開口部２６の面積が、底面部２４の面積よりも大きくなった、末広がりのすり鉢型に形成されている。また、このとき傾斜した内壁面２５のシリンダ軸線方向への投影面積は、底面部２４の面積よりも大きくなる要に設定してある。
【００１７】
そして、内壁面２５の傾斜角と、燃料噴射弁１１からの燃料噴霧の拡がり角と、キャビティ２３の開口部２６の直径との関係は、成層燃焼領域において、燃料噴射弁１１から圧縮行程の後半で燃料が噴射され、かつその燃料噴射時期が負荷によって、すなわち燃料噴射量が変化するのに伴って、最大限度に早まったときにも、図２にも示すように、原則として、円錐状に拡がる燃料噴霧が、必ずキャビティ２３内に到達し、かつ燃料噴霧が傾斜する内壁面２５に衝突するときの角度が、内壁面２５と燃料噴霧のなす角度のうち、内壁面２５のキャビティ中心側に向けての面である、キャビティ内側とのなす角度が、９０度以上、つまり鈍角を形成し、反対にキャビティ外側とのなす角度が鋭角となるような関係に設定してある（以下、本明細書では、この関係を、キャビティ外側に鋭角をなすと定義する）。
【００１８】
このようにしたため、図２の（Ａ）と（Ｂ）に示すように、燃料噴霧は燃料噴射時期の遅いときにも、また早いときにも、キャビティ外側３の外側に出ることがなく、傾斜した内壁面２５と衝突し、かつ衝突角が外側に鋭角とり、これらにより、燃料噴霧は内壁面２５に衝突してからキャビティ内で内側に向けて巻き上がる循環流を形成し、空気を巻き込みつつ、ピストン上死点付近においてキャビティ２３の内部及びその上方空間に可燃濃度の混合気塊を形成できるようになっている。
【００１９】
なお、ピストン３の冠面２２には、前記キャビティ２３の周囲にあって、両側に緩やかに傾斜した傾斜面２７をもち、かつこれら傾斜面２７に挟まれた領域には平らな頂面２８が、キャビティ２３の外側に位置して形成される。
【００２０】
前記燃料噴射弁１１からの燃料の噴射時期は、図示しないコントローラにより制御され、機関の低、中負荷域ではリーン混合気による成層燃焼のために、燃料噴射時期が圧縮行程の後半で、かつ負荷が大きくなるほど噴射量が大きくなるとともに、噴射時期が早められる（進角される）ように制御される。なお、機関回転速度の上昇に伴っても、燃料噴射時期が進角される。
【００２１】
これに対して、機関高負荷域では燃料噴射時期は吸気行程の前半に設定され、空気と燃料とを予め混合し、また燃料噴射量が負荷に応じて増やされ、これらにより理論空燃比の予混合気による均質混合気燃焼が行われる。
【００２２】
また、コントローラは点火栓１２による点火時期についても、機関の負荷、回転数に基づいて最適点火時期（ＭＢＴ）となるように制御する。
【００２３】
以上のように構成され、次に作用を説明する。
【００２４】
図３にも示すように、機関負荷が高負荷などを除き、比較的負荷の小さい、成層燃焼領域にあっては、ピストン３が上昇する圧縮行程の後半に燃料噴射弁１１から燃料が噴射される。燃料噴射弁１１からの円錐状の燃料噴霧はキャビティ２３の内壁面２５と全周において衝突する。衝突角がキャビティ外側に向けて鋭角のため、それぞれがキャビティ中心に向けて壁面に沿って進行し、やがて反対側からの燃料噴霧と衝突し、キャビティ内からシリンダヘッド側に向けて上昇する循環流を形成し、このとき周辺の空気を巻き込みつつ、点火栓１２の近傍に可燃濃度の混合気塊を形成する。混合気塊はピストン３のさらなる上昇に伴いキャビティ内よりも外側に拡大していく。
【００２５】
そして、圧縮上死点付近で点火栓１２による点火が行われると、この可燃濃度の混合気塊に着火し、全体的にはリーン空燃比の混合気でありながらも、安定した成層燃焼が行われる。
【００２６】
ところで図４にも示すように、成層燃焼運転にあっても、負荷に応じて燃料噴射量が異なり、低負荷では少ない燃料が、負荷が大きくなるのにしたがって増加していき、かつ燃料噴射時期もその分だけ早くなる。
【００２７】
燃料噴射時期が早くなると、燃料噴射弁１１が燃料噴射を開始するときの、ピストン冠面２２と燃料噴射弁１１との距離が大きく、同じ燃料噴射角度で噴射される燃料噴霧は、ピストン冠面２２に到達するときに、それだけ拡がる。
【００２８】
しかし、本発明ではキャビティ２３は、開口部２６の径が底面部２４よりも広く、かつ内壁面２５は外側に向けて拡がるすり鉢型に形成されていて、常に燃料噴霧はキャビティ内に到達し、全周的に内壁面２５と衝突し、かつそのときの衝突角がキャビティ外側に向けて鋭角となる。
【００２９】
このため、燃料噴射量が増え、噴射時期が早まった場合、すなわち高負荷側でも、燃料噴霧はキャビティ内において中心から上方に向かう循環流を形成し、周辺の空気を巻き込みながら、点火栓１２の近傍に均一的濃度の混合気層を形成することができる。
【００３０】
負荷が小さく、燃料噴射量が少ないときは、噴射時期が遅れるが、この場合には燃料噴霧はキャビティ中央寄りにおいて内壁面２５と衝突し、主にその内側領域で循環する循環流を形成し、この場合には、全体的には小さいけれども可燃濃度の均一的な混合気塊を形成できる。
【００３１】
このように、燃料噴射量が少なくても、多くても常に良好な均一的濃度の可燃混合気層を形成することができ、安定した成層燃焼が実現できるのである。
【００３２】
上記のように、本実施形態よれば、シリンダ上部に燃料噴射弁１１と点火栓１２を備え、ピストン冠面２２に燃料噴射弁１１からの燃料噴霧を受けるキャビティ２３を形成し、キャビティ２３を、その底面部２４よりも開口部２６が拡がるように傾斜した内壁面２５をもち、ピストン圧縮行程で燃料噴射弁１１から噴射された燃料噴霧が、常に内壁面２５と衝突し、かつ内壁面２５に衝突するときの角度がキャビティ外側に鋭角となるように設定し、燃料噴霧がキャビティ内側に向く循環流を形成するようにしたので、圧縮行程で燃料噴射を行う成層燃焼時には、燃料噴射時期が変化しても、常にキャビティ内側に向けての循環流が形成され、これにより周辺の空気を巻き込みつつ点火栓の近傍に適正な可燃濃度の混合気層を形成し、良好かつ安定した成層燃焼を実現できる。
【００３３】
また、キャビティ２３の内壁面２５は、シリンダ中心軸方向についての仮想平面に対する投影面積が、底面部２４の面積よりも大きくなるように設定することで、確実に傾斜する内壁面２５に燃料噴霧を衝突させ、キャビティ内側に向かう循環流を形成することができる。
【００３４】
また、燃料噴射弁１１と、点火栓１２とを、キャビティ２３の底面部２４の上方領域に配置することで、キャビティ２３とシリンダヘッドとの間に形成される燃焼室４に形成される混合気塊の中心付近に点火し、確実に着火させることができる。
【００３５】
なお、燃料噴射弁１１からの燃料噴射時期は、機関負荷の増大に伴い進角させることにより、また、機関回転速度の上昇に伴い進角させることにより、それぞれ噴射の終了が遅くなり過ぎたときに起きる混合気が過濃化を防ぎ、安定した成層燃焼を可能とする。
【００３６】
次に図５を参照して第２の実施形態を説明する。
【００３７】
以下の説明では、重複を避けるために、主として第１の実施形態と異なる部分を中心に行うことにする。
【００３８】
キャビティ２３の中心部には、突起部２７が形成される。この突起部２７は全周的に内壁面２５に衝突して内側に流れる燃料噴霧をキャビティ中心から上方に向かう循環流を生起させるように案内する。
【００３９】
したがって、本実施形態では、循環流をより安定的に生成することができ、それだけ成層燃焼の安定化に寄与する。
【００４０】
図６を参照して第３の実施形態を説明する。
【００４１】
これは、キャビティ２３の形状を変化させたもので、とくに傾斜した底面部２４ａを備える点で、第１の実施形態と異なっている。
【００４２】
点火栓１２の軸線と略直交するように、底面部２４ａの傾斜方向が規定されている。シリンダヘッド側の設置スペースの制約から、燃料噴射弁１１に近接する点火栓１２をピストン軸心と傾斜し、その点火点がなるべく燃料噴射弁１１の軸線に近似する位置となるように配置する場合、底面部２４ａをこのように傾斜させることにより、内壁面２５の全周で反射し、中心側に向かう循環流が、この点火栓１２を指向するようになる。
【００４３】
これにより、本実施形態では、点火栓近傍に確実に可燃濃度の混合気塊の中心をもってくることが可能となり、それだけ着火、燃焼の安定性が高められる。
【００４４】
図７を参照して第４の実施形態を説明する。
【００４５】
この実施形態は、第１の実施形態と点火栓構造において相違する。
【００４６】
すなわち、燃焼室中心に向けて突出する点火栓１２ａが設けられ、この点火栓１２ａの点火点（点火ギャップ）は、ピストン３の圧縮上死点において、キャビティ２３とシリンダヘッド１との間で形成される燃焼室中心に位置するように設けられる。つまり、キャビティ２３の開口部２６の略中心付近に点火点がくるように配置される。
【００４７】
したがって、この実施形態では、圧縮上死点付近で点火される点火栓１２の点火点が、燃焼室中心、すなわち混合気塊の中心付近に位置するため、点火後の火炎伝播距離が短くなり、急速な燃焼が可能となる。
【００４８】
図８を参照して第５の実施形態を説明する。
【００４９】
この実施形態では、キャビティ２３はより傾斜の大きい、つまり垂直に近づいた内壁面２５ａをもち、ただし、この場合、燃料噴射時期が早められたときにも確実に燃料噴射弁１１からの燃料噴霧がキャビティ内に入るように、キャビティ開口部２６の直径は大きく設定されている。
【００５０】
このようにして、本実施形態では、内壁面２５ａの傾斜が強いために、衝突した燃料噴霧が確実にキャビティ中央に向かうように流れ、これにより強い循環流を形成することができる。
【００５１】
図９を参照して第６の実施形態を説明する。
【００５２】
この実施形態では、第１の実施形態に対して、キャビティ２３の傾斜した内壁面２５の上部に、これに連続して垂直壁面部２８が形成されている。
【００５３】
この実施形態では、垂直壁面部２８が燃料噴霧の拡散を阻止し、キャビティ内に循環流を保持し、より安定した燃焼を可能とする。
【００５４】
本発明は上記した実施形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載した技術的思想の範囲内で、当業者がなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）（Ｂ）は、本発明の第１実施形態の断面図とピストン平面図である。
【図２】同じく、（Ａ）（Ｂ）は燃料噴射時期が遅い場合と早い場合とでの燃料噴霧の状態を示す説明図である。
【図３】同じく（Ａ）〜（Ｄ）は燃料噴霧にもとづく混合気塊の形成過程を示す説明図である。
【図４】同じく（Ａ）〜（Ｃ）は各負荷に応じて生成される混合気塊を示す説明図である。
【図５】第２の実施形態を示す断面図である。
【図６】第３の実施形態を示す断面図である。
【図７】第４の実施形態を示す断面図である。
【図８】第５の実施形態を示す断面図である。
【図９】第６の実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１ シリンダヘッド
２ シリンダブロック
３ ピストン
４ 燃焼室
１１ 燃料噴射弁
１２ 点火栓
２２ ピストン冠面
２３ キャビティ
２４ 底面部
２５ 内壁面
２６ 開口部

Claims (11)

1. シリンダ上部に燃料噴射弁と点火栓を備え、ピストン冠面に前記燃料噴射弁からの燃料噴霧を受けるキャビティを形成した直憤式火花点火機関において、
   前記キャビティを、その底面部よりも開口部が拡がるように傾斜した内壁面をもち、ピストン圧縮行程で前記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が、常に前記内壁面と衝突し、かつ前記内壁面に衝突するときの角度がキャビティ外側に鋭角となるように設定し、前記燃料噴霧がキャビティ内側に向く循環流を形成するようにしたことを特徴とする直憤式火花点火機関。
2. 前記シリンダ中心軸方向についての前記内壁面の投影面積は、前記底面部の面積よりも大きく設定される請求項１に記載の直憤式火花点火機関。
3. 前記底面部は平面で形成される請求項１または２に記載の直憤式火花点火機関。
4. 前記底面部は点火栓の軸線に対して略直交するように傾斜している請求項１〜３のいずれか一つに記載の直憤式火花点火機関。
5. 前記底面部の中央には突起部が形成される請求項１〜３のいずれか一つに記載の直憤式火花点火機関。
6. 前記傾斜した内壁面の上部には垂直な壁面部が形成される請求項１〜３のいずれか一つに記載の直憤式火花点火機関。
7. 前記燃料噴射弁は、前記キャビティの底面部の上方領域に配置される請求項１〜６のいずれか一つに記載の直憤式火花点火機関。
8. 前記点火栓は、前記キャビティの底面部の上方領域に配置される請求項１〜７のいずれか一つに記載の直憤式火花点火機関。
9. 前記点火栓は、その点火点の位置が、ピストン圧縮上死点において、前記キャビティとシリンダヘッドとの間で形成される燃焼室の、高さ、直径方向について、いずれも略中心に配置される請求項１〜８のいずれか一つに記載の直憤式火花点火機関。
10. 前記燃料噴射弁からの燃料噴射時期は、機関負荷の増大に伴い進角させる請求項１〜９のいずれか一つに記載の直憤式火花点火機関。
11. 前記燃料噴射弁からの燃料噴射時期は、機関回転速度の上昇に伴い進角させる請求項１〜１０のいずれか一つに記載の直憤式火花点火機関。

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