JP5146248B2 - 筒内直接噴射式内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼効率を高めた筒内直接噴射式内燃機関に関する。

冷態始動時、すなわち常温に近い温度のエンジンを始動させる場合において、圧縮行程噴射でありながら全体空燃比をストイキオよりもややリーン空燃比寄りの空燃比に制御する圧縮スライトリーン燃焼が知られている。また、圧縮スライトリーン燃焼では、点火プラグ近傍の空燃比を小さく、つまり燃料の濃い混合気を形成して、着火を容易にする必要がある。そのための構成として、ピストン頂面に凹部を形成し、圧縮行程燃料噴射における成層燃焼に関し、凹部に向けて噴射した燃料を凹部で屈曲させた後に、噴射燃料どうしを衝突させて点火プラグに向かわせ、点火プラグ近傍の空燃比を小さくした例が知られている(特許文献１を参照)。

一方、過給器付内燃機関では、吸入空気が過給されることから多量の燃料を燃焼室内に供給できるように構成されている。そのため過給器付の筒内直接噴射式内燃機関における燃料噴射装置（インジェクタ）には、多くの噴射孔が形成されている。過給器付内燃機関に限らず、燃料噴射量の多い機関では、単位時間当たりの噴射量を増大する必要があるため、同様に多くの噴射孔が形成されている。したがって、かかる方式のインジェクタは、凹部の方向に燃料を噴射させる噴射孔のみでは燃料噴射量が不足し、凹部の方向以外の方向に燃料を噴射させる噴射孔が具えられている。
特開２００６−２９１８３９号公報

したがって上記燃料噴射量の多い内燃機関では、燃料の一部は、ピストンの凹部で屈曲されることなく燃焼室内にそのまま噴射されてしまい、インジェクタから噴射される全ての燃料をピストン頂面に形成された凹部で屈曲させて、点火プラグ近傍に導くことができなかった。そのため例えば、筒内直接直噴式の過給器付内燃機関などでは、ピストンの圧縮行程後半に理論空燃比より希薄な混合気となる燃料を噴射して燃焼させる、いわゆる圧縮スライトリーン燃焼を行う場合、点火プラグ近傍の空燃比が着火に必要とされる空燃比より大きくなり、着火が不安定になることがあった。

本発明は上記課題を解決し、燃料噴射量の多い筒内直接噴射方式における、圧縮スライトリーン燃焼においても、安定した燃焼が得られる筒内直接噴射式内燃機関を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため筒内直接噴射式内燃機関を次のように構成した。

１、 シリンダと、前記シリンダ内に設けられたピストンと、前記シリンダとピストンで囲まれた燃焼室内に臨ませた点火プラグと、前記燃焼室内に臨ませ、該燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射装置と、を備えた筒内直接噴射式内燃機関において、
前記燃料噴射装置は、少なくとも２つの異なる方向に燃料を噴射させる噴射孔を具え、該噴射孔からピストンに向けて噴射され前記点火プラグに向かって上方に進行するよう屈曲された第１の噴射流と該第1の噴射流とは異なる向きに噴射された第２の噴射流どうしを前記点火プラグの下方で衝突させ、該第２の噴射流の進行方向を上方に曲げることにより前記燃料噴射装置から噴射された燃料が、前記点火プラグ近傍に導かれるように筒内直接噴射式内燃機関を構成した。

２、 １に記載の筒内直接噴射式内燃機関において、前記燃料噴射装置は少なくとも、前記噴射孔からピストン頂面に向かって噴射された第１の噴射流と、前記噴射孔からピストン中心軸に対して略垂直に噴射された第２の噴射流と、を噴射することとした。

３、 １または２に記載の筒内直接噴射式内燃機関において、前記ピストンの頂面に、凹部により形成された衝突面を設け、前記第１の噴射流を前記衝突面に衝突させ、該衝突面で屈曲された該第１の噴射流あるいは前記気流を前記第２の噴射流に衝突させることとした。

４、 １〜３のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関において、前記第１の噴射流と前記第２の噴射流の流速を異ならせ、前記第２の噴射流が、該第１と第２の噴射流が交差する交差部分に到達すると同時かそれより早く、前記第１の噴射流を前記交差部分に到達させるように構成した。

５、 １〜４のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関において、前記燃料は、空燃
比が理論空燃比より希薄となる噴射量で、かつ前記ピストンが圧縮行程後半にあるとき、
噴射を行わせることとした。
６、 ４に記載の筒内直接噴射式内燃機関において、前記燃料噴射装置は、前記第２の噴射流の前記燃焼室内での貫徹力を弱めることにより、該第２の噴射流の流速を前記第１の噴射流の流速より遅くなるようにした。

本発明にかかる筒内直接噴射式内燃機関は、次の効果を有している。
ピストンの頂面に対してほぼ平行に噴射されて衝突面（凹部）に衝突されない噴射燃料が、凹部で屈曲されて点火プラグに向かう噴射燃料流等と衝突して点火プラグ近傍に送られる。これにより、従来点火プラグ近傍に集められない燃料を点火プラグ近傍に集めることができ、点火プラグ近傍の空燃比を小さくして、着火、及び燃焼を確実、かつ安定化できる。したがって、燃料噴射量が多い内燃機関において、希薄燃焼させた場合においても、安定した始動、運転がなされ、低排出ガス、低濃度の煤発生を実現することができる。

本発明にかかる筒内直接噴射式内燃機関の一実施形態について、図を参照して説明する。以下では、燃料消費量の多い内燃機関の一例として、ターボエンジンを用いて説明する。

図１、及び図５に、エンジン１０の燃焼室部分を示す。エンジン１０は、筒内直接燃料噴射方式の火花点火式内燃機関で、排気管に過給器（いずれも図示せず。）を備えた、ターボエンジンである。エンジン１０の燃料は、ガソリンを主としている。燃焼室部分は図１に示すように、シリンダヘッド１２、ピストン１４、シリンダブロック１６などから構成されている。尚エンジン１０は、ターボエンジンでなく、他の過給方法による過給エンジンであってもよい。

シリンダブロック１６は、内側にシリンダ１８を有している。シリンダブロック１６に形成されたシリンダ１８の数は、特に問わない。シリンダブロック１６の上面には、シリンダヘッド１２がボルト（図示せず。）により固定されている。

シリンダヘッド１２は、下面に燃焼室用の凹み２０を具えている。凹み２０は、断面が三角形状で、凹み２０と、ピストン１４の頂面２２と、シリンダ１８の内面で区画された空間でエンジン１０の燃焼室２６を形成している。燃焼室２６は、いわゆるペントルーフ型と呼ばれる形式である。

またシリンダヘッド１２には、図５に示すように点火プラグ３０及び燃料噴射装置３２が取り付けられている。更にシリンダヘッド１２には、吸気管、及び排気管（いずれも図示せず。）が接続されており、それぞれに吸気弁９及び排気弁１１（図１参照。）がカム機構（図示せず。）により開閉自在に取り付けられている。

点火プラグ３０は、先端に放電用の電極部分３１を具え、電極部分３１を燃焼室２６に臨ませてシリンダヘッド１２に取り付けられている。電極部分３１は、燃焼室２６の上部の略中心に配置されている。点火プラグ３０は、図示しない点火機構に接続されており、ピストン１４の往復動に連動して適宜の点火時期に電極部分３１で放電を行わせる。尚、点火プラグ３０の電極部分３１は、燃焼室２６の中央でなく、他の位置に取り付けられていてもよい。又、燃焼室２６は、いわゆるペントルーフ型でなく、他の形式でもよい。

燃料噴射装置３２は、先端に噴射孔を具え、内部に弁機構を有している。燃料噴射装置３２は、燃料の高圧ポンプに接続され、制御装置（いずれも図示せず。）から弁を開放させる信号が送られてくると、弁を開放して噴射孔から燃料を噴射させる。燃料噴射装置３２は、噴射孔として、図５に示すように少なくとも第１噴射孔１３と第２噴射孔１５を有し、これら噴射孔を燃焼室２６に臨ませてシリンダヘッド１２に取り付けられている。

第１噴射孔１３は、ピストンの中央手前（燃料噴射装置３２に近い側である。）に向けて開口しており、第２噴射孔１５は、ピストン１４の中心軸に垂直な面とほぼ平行な方向に向けて開口している。これにより燃料噴射装置３２は、高圧ポンプから圧送された燃料を、後述するピストン１４の凹部３４内に向かう第１の噴射流３と、ピストン１４の頂面２２と平行な方向に向かう第２の噴射流５とを形成する。

更に詳しくは、圧縮スライトリーン燃焼、すなわちエンジン１０の圧縮行程後半に燃料噴射装置３２から燃料を噴射させて着火させる燃焼行程において、第１噴射孔１３から噴射された第１の噴射流３が、上昇してくるピストン１４の後述する凹部３４の底面３６に当たり、そして第１の噴射流３が凹部３４内をピストン１４の中心方向に進み、ピストン１４の中心付近に設けられた衝突面４０により点火プラグ３０の方向に屈曲されるように、その角度が設定されている。

尚、燃料噴射装置３２は、上記第１及び第２の噴射流３、５以外の噴射流を形成する噴射孔を具えていてもよい。また、ある方向に燃料を噴射させるとは、噴射流の中心軸がその方向に向いて噴射されることを言い、その方向に向かって燃料が平行のまま噴射されることまで言うものではない。また噴射とは、基本的に燃料を霧状に放射させることを指すものとする。尚、液状で噴射してもよい。

ピストン１４は、図１、５に示すようにシリンダ１８の内部に往復動自在に設けられている。ピストン１４は、比較的緩やかな挟み角を頂角とした円錐形の頂面２２を有している。頂面２２には、凹部３４が設けられている。凹部３４は、図４に示すようにピストン１４の外周部分の所定位置からピストン１４のほぼ中央部分まで形成されている。凹部３４は、凹部３４の底面３６の半径方向の中心軸と、燃料噴射装置３２の中心軸とが円周方向に一致するように形成されている。尚凹部３４と燃料噴射装置３２の方向は、円周方向に完全に一致していなくともよい。

凹部３４の底面３６は、図１に示すようにピストン１４の中心軸に対して垂直か、若干ピストン１４の中心に向かって深さが深くなるように形成されている。尚、浅くなるように形成されていてもよい。凹部３４の両側壁３８は、図４に示すようにピストン１４の中心軸に対して略平行に形成されている。凹部３４の両側壁３８は、底面３６から適度な角度で形成されている。すなわち両側壁３８は、凹部３４の内部を通過する燃料の噴射流がピストン１４の中心まで導かれる案内壁として機能するように形成されている。尚凹部３４の側壁３８は、ピストン１４の外周部分から放射状に形成されていても、また横幅が先方で縮小されるように形成されていてもよい。

凹部３４のピストン１４の中心付近には、衝突面４０が形成されている。衝突面４０は、凹部３４の長手方向に対してほぼ垂直に、若干の湾曲をもって底面３６から立ち上がり、燃料噴射装置３２から噴出された燃料の第１の噴射流３の流れをピストン１４の上方に屈曲させるように形成されている。更に衝突面４０は、衝突面４０に衝突して屈曲された噴射流が、点火プラグ３０の周囲に到達するような形状に形成されている。

次に、エンジン１０の作用について説明する。

エンジンが冷えた状態、例えば一晩駐車していて朝に始動させるときなどでは、冷態圧縮スライトリーン燃焼が行われる。つまり理論空燃比より若干薄い混合気が形成される量の燃料を、ピストン１４が圧縮行程後半にあるとき燃焼室２６内に噴射し、燃焼を行わせる。

エンジン１０のクランキングを行うと、所定の噴射時期に燃料噴射装置３２から、図１に示すように少なくとも２つの第１の噴射流３と第２の噴射流５をもって燃料が噴射される。例えば図１に示すピストン１４は、上死点前３０度の位置である。第１の噴射流３は、ピストン１４の中央手前（燃料噴射装置３２側である。）に向けて噴射され、第２の噴射流５は、ピストン１４の中心軸とほぼ垂直な方向に向けて噴射される。

第１の噴射流３は、その後それ自身が燃焼室２６内を進行するとともにピストン１４が上昇してくるので、ピストン１４の頂面２２に形成された凹部３４の底面３６に当たり、底面３６に沿ってピストン１４の中心に向かって進行する。そして、第１の噴射流３は、凹部３４の噴射流先方に位置する衝突面４０に衝突し、上方、すなわち点火プラグ３０の方向に屈曲される。衝突面４０で屈曲された第１の噴射流は、そのまま点火プラグ３０に向かって進行する。

一方第２の噴射流５は、燃焼室２６内をピストン１４の上方を通過して進行し、ピストン１４の中央付近で、図２に示すように衝突面４０で屈曲され上昇してくる第１の噴射流３と衝突する。例えば図２に示すピストン１４は、上死点前１０度の位置である。第１の噴射流３と衝突した第２の噴射流５は、その後進行方向が上方に曲げられ、図３に示すように第１の噴射流３とともに点火プラグ３０の近傍に導かれる。例えば図３に示すピストン１４は、上死点後２０度の位置である。

これにより、点火プラグ３０の近傍には、凹部３４、つまり衝突面４０で進行方向が屈曲された第１の噴射流３と、第１の噴射流３に衝突して進行方向が曲げられた第２の噴射流５の燃料が集められ、リッチ、つまり濃い混合気とすることができる。

これにより、ターボチャージャーを備え、燃料噴射装置３２から多くの燃料の噴射を行い、噴射する全ての燃料をピストン１４の凹部３４に向けられていない筒内直接噴射式内燃機関においても、冷態始動時の圧縮スライトリーン燃焼における点火プラグ３０近傍の空燃比を小さくし、混合気の着火を容易にして、低排出ガス、低濃度の煤の発生で、確実に始動させることができる。

尚、第１の噴射流３と第２の噴射流５以外の噴射燃料は、点火プラグ３０で着火した火炎が伝播することにより適宜燃焼される。

次に、筒内直接噴射式内燃機関の他の例について説明する。

この例は、第２の噴射流５の流速を第１の噴射流３の流速より遅くなるように設定した。第２の噴射流５の流速を遅くするのは、燃焼室２６内での貫通力を弱くすればよく、例えば第２噴射孔１５の径を拡大させるなどして行う。第２の噴射流５の流速は、第１の噴射流３が凹部３４に沿って上昇してきたとき、第１の噴射流３の先端と第２の噴射流５の先端が同時に第１の噴射流３と第２の噴射流５の交差部分に到達して互いに衝突するか、第１の噴射流３の方が早く到達するように設定する。

このようにそれぞれの速度を設定すると、上昇してくる第１の噴射流３により第２の噴射流５の燃料が、第２の噴射流５の先端から屈曲され、第１の噴射流３を超えて燃焼室２６内に流れてしまう第２の噴射流５の燃料流を防止し、点火プラグ３０の近傍に効率よく多くの燃料を集めることができる。

これにより上述した例と同様、点火プラグ３０での着火が容易となり、エンジン１０を、低排出ガスでカーボンの発生を抑え、かつ安定した燃焼で、より確実に始動させることができる。

尚上記例では、圧縮スライトリーン燃焼において好ましい例を説明したが、本発明はこれに限るものではない。

本発明にかかる筒内直接噴射式内燃機関の一実施形態を示す断面図である。 本発明にかかる筒内直接噴射式内燃機関の一実施形態を示す断面図である。 本発明にかかる筒内直接噴射式内燃機関の一実施形態を示す断面図である。 ピストンの頂面を示す平面図である。 燃焼室部分を示す透視斜視図である。 他の発明にかかる筒内直接噴射式内燃機関の一実施形態を示す断面図である。 他の発明にかかる筒内直接噴射式内燃機関の一実施形態を示す断面図である。

符号の説明

３…第１の噴射流
５…第２の噴射流
１０…エンジン
１２…シリンダヘッド
１４…ピストン
１６…シリンダブロック
１８…シリンダ
２２…頂面
２６…燃焼室
３０…点火プラグ
３２…燃料噴射装置
３４…凹部
３６…底面
３８…側壁
４０…衝突面

Claims (6)

1. シリンダと、
   前記シリンダ内に設けられたピストンと、
   前記シリンダとピストンで囲まれた燃焼室内に臨ませた点火プラグと、
   前記燃焼室内に臨ませ、該燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射装置と、を備えた筒内直接噴射式内燃機関において、
   前記燃料噴射装置は、少なくとも２つの異なる方向に燃料を噴射させる噴射孔を具え、該噴射孔からピストンに向けて噴射され前記点火プラグに向かって上方に進行するよう屈曲された第１の噴射流と該第1の噴射流とは異なる向きに噴射された第２の噴射流どうしを前記点火プラグの下方で衝突させ、該第２の噴射流の進行方向を上方に曲げることにより前記燃料噴射装置から噴射された燃料が、前記点火プラグ近傍に導かれるように構成したことを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
2. 前記燃料噴射装置は少なくとも、
   前記噴射孔からピストン頂面に向かって噴射された第１の噴射流と、
   前記噴射孔からピストン中心軸に対して略垂直に噴射された第２の噴射流と、を噴射することを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
3. 前記ピストンの頂面に、凹部により形成された衝突面を設け、前記第１の噴射流を前記衝突面に衝突させ、該衝突面で屈曲された該第１の噴射流あるいは前記気流を前記第２の噴射流に衝突させることを特徴とした請求項１または２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
4. 前記第１の噴射流と前記第２の噴射流の流速を異ならせ、前記第２の噴射流が、該第１と第２の噴射流が交差する交差部分に到達すると同時かそれより早く、前記第１の噴射流を前記交差部分に到達させるように構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
5. 前記燃料は、空燃比が理論空燃比より希薄となる噴射量で、かつ前記ピストンが圧縮行程後半にあるとき、噴射を行わせることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
6. 前記燃料噴射装置は、前記第２の噴射流の前記燃焼室内での貫徹力を弱めることにより、該第２の噴射流の流速を前記第１の噴射流の流速より遅くなるようにすることを特徴とする請求項４に記載の筒内直接噴射式内燃機関。

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