(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面または凹面で構成された窪みをピストン頂面に形成し、シリンダヘッドの中心部に点火プラグを設置し、前記窪みに向けて燃料を噴射するようにシリンダ周縁部にインジェクタを設置し、吸気及び圧縮行程においてシリンダ中心軸周りの旋回流が生成されるようにした筒内噴射式内燃機関において、前記インジェクタと前記点火プラグと前記シリンダの中心を通る平面に垂直な方向で、旋回流の吸気側から排気側に向かう流れを上流とした時に旋回流の上流側が噴射燃料の受ける摩擦係数が高くなる分布を有する窪み壁面を形成したことを特徴とする筒内噴射式内燃機関。
【請求項２】
平面または凹面で構成された窪みをピストン頂面に形成し、シリンダヘッドの中心部に点火プラグを設置し、前記窪みに向けて燃料を噴射するようにシリンダ周縁部にインジェクタを設置し、吸気及び圧縮行程においてシリンダ中心軸周りの旋回流が生成されるようにした筒内噴射式内燃機関において、噴射燃料自体に速度分布を有するインジェクタを用いその速度分布がピストン頂面に対し平行となり、旋回流の吸気側から排気側に向かう流れを上流とした時に噴射燃料の速度分布の遅い側を上流に、速い側が下流になるようにインジェクタを設置したことを特徴とする筒内噴射式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、希薄燃焼時の着火性の向上を図り、燃費向上を可能にする筒内噴射式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ピストン頂面に凹溝を設け、圧縮行程時に凹溝内に燃料を噴射し着火させる筒内噴射式内燃機関が特開平４−９４４１６号公報に記載されている。また、凹溝の側壁面に階段部を設けてインジェクタ周りに燃料蒸気を分布させて着火する筒内噴射式内燃機関が特開平５−１０１３８号公報に記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
燃費が最良になる点火時期は運転状態によって変わるため、どのような運転状態でも燃費が最良になる点火時期で着火できることが要求される。そのためには点火プラグ周りに長い期間、着火可能な濃度の燃料蒸気を保持することが重要である。
【０００４】
特開平４−９４４１６号ではピストンの上昇とともに点火プラグに燃料蒸気が集中し、燃料蒸気の濃度が高くなりすぎて着火できなくなるといった問題がある。特開平５−１０１３８号の方法ではピストンの表面積が増加し熱損失が大きくなるといった問題がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために本発明における第一の筒内噴射式内燃機関によれば、平面または凹面で構成された窪み（凹溝）をピストン頂面に形成し、シリンダヘッドの中心部に点火プラグを設置し、凹溝に向けて燃料を噴射するようにシリンダ周縁部にインジェクタを設置し、吸気及び圧縮行程においてシリンダ中心軸周りの旋回流が生成されるようにした筒内噴射式内燃機関において、インジェクタから凹溝に向けて噴射した燃料が凹溝に衝突する個所に平面の壁面を生成する。
【０００６】
噴射燃料が凹溝の側壁面に衝突する個所に平面の壁面を設けることにより凹溝に向けて燃料を噴射すると噴射燃料の中心が早く壁面に衝突するため、壁面への噴射燃料の衝突に時間差が生じる。燃料噴射後、噴射燃料が動くときに空気も同伴して噴流が生じ、この噴流は凹溝底壁面を経て壁面に沿って点火プラグに向かう上昇流になる。噴射燃料や液膜から蒸発した燃料蒸気はこの上昇流によって点火プラグに噴き上げられるが、噴射燃料や燃料蒸気は時間差がついて噴き上げられるため点火プラグ周りの燃料蒸気濃度は濃くなりすぎることはなく可燃範囲の蒸気濃度を長い期間保持することが可能である。
【０００７】
上記問題を解決するために本発明における第二の筒内噴射式内燃機関によれば、凹溝をピストン頂面に形成し、シリンダヘッドの中心部に点火プラグを設置し、凹溝に向けて燃料を噴射するようにシリンダ周縁部にインジェクタを設置し、吸気及び圧縮行程においてシリンダ中心軸周りの旋回流を生成する手段を有する筒内噴射式内燃機関において、インジェクタと点火プラグとシリンダの中心を通る平面に垂直な方向で、旋回流の吸気側から排気側に向かう流れを上流とした時に旋回流の上流側が噴射燃料の受ける摩擦係数が高くなる分布を有する凹溝底壁面を形成する。
【０００８】
凹溝に向けて燃料を噴射すると凹溝底壁面に噴射燃料が衝突するが、凹溝底壁面に摩擦係数の分布があり凹溝底壁面の旋回流上流側の噴射燃料は摩擦抵抗が大きく減衰しやすい。逆に噴射燃料の中心は摩擦抵抗が小さく減衰しにくいため早く壁面に衝突し、壁面への噴射燃料の衝突に時間差が生じる。燃料噴射後、噴射燃料が動くときに空気も同伴して噴流が生じ、この噴流は凹溝底壁面を経て壁面に沿って点火プラグに向かう上昇流になる。噴射燃料や液膜から蒸発した燃料蒸気はこの上昇流によって点火プラグに噴き上げられるが、噴射燃料や燃料蒸気は時間差がついて噴き上げられるため点火プラグ周りの燃料蒸気濃度は濃くなりすぎることはなく可燃範囲の蒸気濃度を長い期間保持することが可能である。
【０００９】
上記問題を解決するために本発明における第三の筒内噴射式内燃機関によれば、凹溝をピストン頂面に形成し、シリンダヘッドの中心部に点火プラグを設置し、凹溝に向けて燃料を噴射するようにシリンダ周縁部にインジェクタを設置し、吸気及び圧縮行程においてシリンダ中心軸周りの旋回流を生成する手段を有する筒内噴射式内燃機関において、噴射燃料自体に速度分布を有するインジェクタを用いその速度分布がピストン頂面に対し平行となり、旋回流の吸気側から排気側に向かう流れを上流とした時に噴射燃料の速度分布の遅い側を上流に、速い側が下流になるようにインジェクタを設置する。
【００１０】
凹溝に向けて燃料を噴射すると凹溝底壁面に噴射燃料が衝突するが、噴霧自体に速度分布があるため速度の速い側の噴射燃料が短時間で凹溝に衝突し、壁面への噴射燃料の衝突に時間差が生じる。燃料噴射後、噴射燃料が動くときに空気も同伴して噴流が生じ、この噴流は凹溝底壁面を経て壁面に沿って点火プラグに向かう上昇流になる。噴射燃料や液膜から蒸発した燃料蒸気はこの上昇流によって点火プラグに噴き上げられるが、噴射燃料や燃料蒸気は時間差がついて噴き上げられるため点火プラグ周りの燃料蒸気濃度は濃くなりすぎることはなく可燃範囲の蒸気濃度を長い期間保持することが可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図７から図９は本発明の構成図及び概念図である。シリンダヘッドとシリンダブロックからなるシリンダ１に、往復運動するピストン２が挿入され、ピストン２の頂面には平面と凹面で構成された凹溝３が設けられている。凹溝３は平らな凹溝底壁面３ａと、ピストン２頂面と凹溝底壁面３ａをつなぐ凹溝側壁面３ｂで構成されている。シリンダ１上面にはそれぞれ独立した吸気管６ａ，６ｂと、シリンダ１を挟んだ反対側に排気管８が接続されており、吸気管６ａ，６ｂには吸気弁７が、排気管８には排気弁９がそれぞれ設けられている。シリンダ１上方の中心部分に点火プラグ４が設置される。シリンダ１周縁部で吸気管６ａと６ｂの間にインジェクタ５が設置される。インジェクタ５のノズル先端は、噴射燃料
１２が凹溝３に入る角度になるよう下方に傾けて設置する。噴射燃料１２が動くときに空気も同伴して噴流が生じ、この噴流は凹溝底壁面３ａを経て凹溝側壁面３ｂによって、点火プラグ４に向かう上昇流になる。噴射燃料１２や液膜から蒸発した燃料蒸気１３はこの上昇流によって点火プラグ４に噴き上げられる。吸気管６ｂの上流には弁１０を設ける。弁１０を閉じることにより、吸気行程においてシリンダ１内に空気が流入する際に空気は吸気管６ａのみからシリンダ１に流入するため、図２に示すように吸気圧縮行程においてシリンダ１内にシリンダ中心軸周りの旋回流であるスワール１１を生成することができる。この時、スワール１１の吸気側から排気側に向かう流れを上流とする。
【００１２】
筒内噴射式内燃機関において、燃費向上のため燃料噴射量を少なくして燃焼させる希薄燃焼する場合、良好な燃焼を得るためには点火時期において点火プラグに燃料蒸気を保持する必要があり、燃料蒸気の濃度は高すぎても低すぎても着火は困難になる。また、燃費が最良になる点火時期である燃費最良点は運転状態によって変わるため、どのような運転状態でも燃費最良点で着火できることが要求される。この要求を満たすためにはすべての運転条件で長い期間、点火プラグに着火可能な濃度の燃料蒸気を保持することが重要であり、着火可能期間が長いほど燃費は良くなるといえる。
【００１３】
図４から図６は従来例を示した図である。図４は従来型の円形の凹溝３を有した筒内噴射式内燃機関で、希薄燃焼運転時で燃料噴射直後のシリンダ１内の様子を示す。燃料蒸気拡散の防止のため燃料は圧縮行程の後期で噴射する。噴射燃料１２はスワール１１の影響を受けて燃料の噴射方向に対し、その進行方向は上流側に傾く。この時、コーン状に噴射された噴射燃料１２の中心先端から凹溝３の側壁面３ｂまでの距離をＬ１、噴射燃料の外側先端から凹溝側壁面３ｂまでの距離をＬ２とした場合、Ｌ１≒Ｌ２となる。噴射燃料１２は凹溝底壁面３ａに衝突し、あるものは液膜を生成し、あるものは凹溝底壁面３ａに沿って蒸発しながら進む。噴射燃料１２が動くときに空気も同伴して噴流が生じ、この噴流は凹溝底壁面３ａを経て凹溝側壁面３ｂによって、点火プラグ４に向かう上昇流になる。噴射燃料１２や液膜から蒸発した燃料蒸気１３はこの上昇流によって点火プラグ４に噴き上げられる。
【００１４】
蒸発した燃料蒸気１３が上昇流によって点火プラグ４へ運ばれる様子を模式的に表すと図５になる。燃料蒸気１３は下ほど蒸気濃度は高く、上は希薄である。上述したようにＬ１≒Ｌ２となっているため、燃料蒸気１３の先端はすべて同時に凹溝側壁面３ｂに当たって噴き上がるため図５のように燃料蒸気１３の高さは等しくなる。燃料蒸気１３はスワール１１や、噴射燃料１２により生じる上昇流やピストン２の上昇の影響により矢印１４が示すように斜めに点火プラグ４へ噴き上がる。
【００１５】
図６に点火プラグ４の燃料蒸気濃度の変移を示す。横軸はクランク角度を表す。良好な着火が可能な蒸気濃度の範囲である可燃範囲を決め、その範囲の蒸気濃度を維持する期間を着火可能期間とする。圧縮が進むとともに点火プラグ４の蒸気濃度は比例で増加するが、あるクランク角度を越えると、蒸気濃度が可燃範囲を越えてしまい、着火可能期間Ｔ１は短い。燃費向上のためには、この着火可能期間を広くできることが重要である。
【００１６】
本発明の実施例１を図１から図３を用いて説明する。図１は図４に示した従来型と同様に、燃料噴射直後のシリンダ１内の様子を示している。コーン状に噴射された噴射燃料１２の中心先端から凹溝側壁面３ｂまでの距離をＬ１，噴射燃料の外側先端から凹溝側壁面３ｂまでの距離をＬ２とした場合、凹溝３には壁面
３ｃを噴射燃料１２と垂直になるように設けているため、Ｌ１＜Ｌ２となる。噴射燃料１２は凹溝底壁面３ａに衝突し、あるものは液膜を生成し、あるものは凹溝底壁面３ａに沿って蒸発しながら進む。噴射燃料１２が動くときに空気も同伴して噴流が生じ、この噴流は凹溝底壁面３ａを経て壁面３ｃによって、点火プラグ４に向かう上昇流になる。噴射燃料１２や液膜から蒸発した燃料蒸気１３はこの上昇流によって点火プラグ４に噴き上げられる。
【００１７】
蒸発した燃料蒸気１３が上昇流によって点火プラグ４へ運ばれる様子を模式的に表すと図２になる。上述したようにＬ１＜Ｌ２となっているため、まず燃料蒸気１３の中心先端が壁面３ｃに当たって噴き上がり、遅れて噴霧外側が壁面３ｃに当たって噴き上がるため図２のように燃料蒸気は点火プラグ４で高い山型になる。燃料蒸気１３はスワール１１や、噴射燃料１２により生じる上昇流やピストン２の上昇の影響により矢印１４が示すように斜めに点火プラグ４へ噴き上がる。
【００１８】
図３に点火プラグ４の燃料蒸気濃度の変移を示す。横軸はクランク角度を表す。本発明では壁面３ｃを設けて距離Ｌ１を短縮して早く燃料蒸気１３が噴き上がるようにして燃料噴射後から短時間で点火プラグ４の蒸気濃度が可燃範囲になり、燃料蒸気１３の噴き上げに時間差を付けることによって蒸気濃度が可燃範囲を越えないようにしている。以上から着火可能期間Ｔ２は従来型の着火可能期間
Ｔ１より長くなり、燃費向上を図ることができる。
【００１９】
図１０に実施例２を示す。凹溝３形状は図４の従来型と同じ円形である。図４に示した従来型と同様に、燃料噴射直後のシリンダ１内の様子を示している。噴射燃料１２はスワール１１の影響を受けて燃料の噴射方向に対し、その進行方向は上流側に傾く。本実施例では、噴射燃料１２を凹溝側壁面３ｂに時間差を付けて衝突させるために、噴射燃料１２の半分が凹溝底壁面３ａに当たる範囲に摩擦板１５を設けている。噴射燃料１２が摩擦板１５に当たることよって速度が減衰され、Ｌ２はＬ１より短くなる。Ｌ１＜Ｌ２となっているため、まずＬ１部の燃料蒸気１３が側壁面に当たって噴き上がり、遅れてＬ２部の燃料蒸気が凹溝側壁面３ｂに当たって噴き上がる。以上のように燃料の噴き上げに時間差を付けることにより燃料蒸気が可燃範囲を越えないようにして、着火可能期間の拡大を図り、燃費向上を実現することができる。
【００２０】
図１１に実施例３を示す。本実施例では噴射燃料自体に速度分布を有するインジェクタを用いその速度分布がピストン頂面に対し平行となり、噴射燃料の速度分布の遅い側を上流に、速い側が下流になるようにインジェクタを設置する。噴射燃料１２の、速度の速い側をＬ３、遅い側をＬ４とすると、噴射燃料１２がスワール１１によって曲げられた時に噴射燃料１２のＬ３が凹溝３の中心を通り、Ｌ４が凹溝３の上流側に位置するようにインジェクタ５を設置する。噴射燃料
１２の先端から凹溝側壁面３ｂまでの距離Ｌ１、Ｌ２に差を付けて燃料の噴き上げに時間差を付けることにより燃料蒸気が可燃範囲を越えないようにして、着火可能期間の拡大を図り燃費向上を実現することができる。
【００２１】
図１２から図１６に、本発明の実施例１と従来方式を数値解析により検証した結果を示す。燃料噴射時期は圧縮行程の終わりで、シリンダ１内にスワール１１を生成している。その他細かい条件の記述は省略する。図１２に従来方式の凹溝３を有する計算要素の体系を示す。ピストン２の頂面形状は中心が高い山型のペントルーフになっているが、それ以外の構成は図４と同じである。図１３は本発明実施例１の、噴射燃料が凹溝側壁面３ｂに衝突する位置に壁面３ｃを設けた計算要素の体系を示す。壁面３ｃは実施例１と若干異なり、壁面３ｃを対称のＶ型に設けている。従来方式と同じくピストン２頂面はペントルーフになっている。その他の構成は図１と同じである。図１４は従来方式の計算結果で凹溝３をインジェクタ５から見た図である。太線１６は可燃範囲の燃料蒸気の領域を表し、図５と同じように燃料蒸気が凹溝底壁面３ａからほぼ均一に噴き上がっている。図１５は本発明実施例１の計算結果で、凹溝をインジェクタから見た図である。太線１６は可燃範囲の燃料蒸気の領域を表し、凹溝底壁面からの噴き上げ高さは点火プラグ近傍が高く左右は低くなって時間差がついていることが判る。点火プラグ周りの燃料蒸気の濃度の時間変化を図１６に示す。本発明実施例１は燃料蒸気の濃度が可燃範囲に到達するのが早く着火可能期間が従来方式より長くなっていることから、本発明が着火可能期間を長くすることが可能であることを示している。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば燃料の噴き上げに時間差を付けることにより燃料蒸気が可燃範囲を越えないようにして着火可能期間を長くすることができ、従来のピストンの上昇とともに点火プラグに燃料蒸気が集中し燃料蒸気の濃度が高くなりすぎて着火できなくなるといった問題を解決する。また、本発明によれば階段部がない側壁面を持つ凹溝をピストン頂面に形成するため、ピストンの表面積が増加し熱損失が大きくなるといった問題を解決する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１を示す筒内噴射式内燃機関の上面図。
【図２】本発明の実施例１を示す筒内噴射式内燃機関の正面図。
【図３】本発明の実施例１による筒内噴射式内燃機関の点火プラグ周りの燃料蒸気濃度の変化を示す図。
【図４】従来方式の筒内噴射式内燃機関の上面図。
【図５】従来方式の筒内噴射式内燃機関の正面図。
【図６】従来方式の筒内噴射式内燃機関の点火プラグ周りの燃料蒸気濃度の変化を示す図。
【図７】本発明の筒内噴射式内燃機関の構成図。
【図８】本発明をシリンダ上面から見た概念図。
【図９】本発明をシリンダ側面から見た概念図。
【図１０】本発明の実施例２を示す筒内噴射式内燃機関の上面図。
【図１１】本発明の実施例３を示す筒内噴射式内燃機関の上面図。
【図１２】数値解析による検証に用いた従来方式の凹溝形状を示す図。
【図１３】数値解析による検証に用いた本発明方式の凹溝形状を示す図。
【図１４】従来方式の凹溝形状の解析結果を示す図。
【図１５】本発明方式の凹溝形状の解析結果を示す図。
【図１６】数値解析により得られた従来方式と本発明方式の着火可能期間を比較した図。
【符号の説明】
１…シリンダ、２…ピストン、３…凹溝、３ａ…凹溝底壁面、３ｂ…凹溝側壁面、３ｃ…壁面、４…点火プラグ、５…インジェクタ、６ａ，６ｂ…吸気管、７…吸気弁、８…排気管、９…排気弁、１０…弁、１１…スワール、１２…噴射燃料、１３…燃料蒸気、１４…燃料蒸気進行方向、１５…摩擦板。
【図１】
0003613019.tif 000002
【図２】
0003613019.tif 000003
【図３】
0003613019.tif 000004
【図４】
0003613019.tif 000005
【図５】
0003613019.tif 000006
【図６】
0003613019.tif 000007
【図７】
0003613019.tif 000008
【図８】
0003613019.tif 000009
【図９】
0003613019.tif 000010
【図１０】
0003613019.tif 000011
【図１１】
0003613019.tif 000012
【図１２】
0003613019.tif 000013
【図１３】
0003613019.tif 000014
【図１４】
0003613019.tif 000015
【図１５】
0003613019.tif 000016
【図１６】
0003613019.tif 000017