(57)【要約】【課題】横旋回速度成分と縦旋回速度成分とを有して気筒内を斜めに旋回する強い気流を形成して、この気流により気筒内に発生する乱れを圧縮上死点まで持続可能とする筒内噴射式火花点火内燃機関を提供する。【解決手段】気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁３を気筒上部周囲における吸気弁と排気弁との間に配置し、均質燃焼時には吸気下死点近傍において燃料噴射弁によりシリンダボアの排気弁側へ向けて燃料Ｆを噴射し、噴射された燃料により吸気行程において気筒内に形成されたタンブル流Ｔに横旋回速度成分を付与すると共に、タンブル流の縦旋回速度成分を加速する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁を気筒上部周囲における吸気弁と排気弁との間に配置し、均質燃焼時には吸気下死点近傍において前記燃料噴射弁によりシリンダボアの排気弁側へ向けて燃料を噴射し、噴射された前記燃料により吸気行程において気筒内に形成されたタンブル流に横旋回速度成分を付与すると共に、前記タンブル流の縦旋回速度成分を加速することを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項２】
ピストン頂面には燃料噴射弁側に偏在してキャビティが形成され、点火プラグは前記キャビティを臨むように配置され、成層燃焼時には、吸気下死点近傍において前記燃料噴射弁によりシリンダボアの排気弁側へ向けて燃料を噴射すると共に、圧縮行程後半又は膨張行程前半において前記燃料噴射弁により前記キャビティ内へ燃料を噴射することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関において均質燃焼を実施する場合において、吸気行程で気筒内を縦方向に旋回するタンブル流が形成され、このタンブル流が圧縮行程後半の所定クランク角度まで持続すると、ピストンとシリンダヘッドとの間が狭くなって旋回を持続することができず、結果的にピストンにより潰されて気筒内に乱れを発生させる。この乱れを均質燃焼の燃焼速度を速めるのに利用することが提案されているが、圧縮行程後半の所定クランク角度において発生した気筒内の乱れは時間的に圧縮上死点までは持続することができず、機関低回転時のように点火時期が圧縮上死点に近い時には、燃焼に乱れを利用することができない。
【０００３】
気筒内を横方向に旋回するスワール流は、吸気行程後半の所定クランク角度においても旋回し続け、その後、ピストンにより潰されても、気筒内中央部には乱れが発生せず、均質燃焼の燃焼速度を速めることはできない。このように横旋回速度成分を有する気流はピストンにより潰されても維持され易いために、横旋回速度成分と縦旋回速度成分とを有して気筒内を斜めに旋回する気流が形成されれば、圧縮行程後半において、この気流がピストンにより潰されて気筒内の乱れとなる時期をタンブル流に比較して遅らすことができ、気筒内に発生させた乱れは圧縮上死点まで持続するために点火時期が圧縮上死点近くとされても燃焼に乱れを利用することができる。内燃機関において、このような気筒内を斜めに旋回する気流を発生させることは既に提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２７４１３３
【特許文献２】特表２００２−５１１５４９
【特許文献３】特開平１０−１１５２２３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述の内燃機関において、気筒内を斜めに旋回する気流を発生させるために、単一の吸気ポートから吸気ポートの気筒内開口中心を通る気筒垂直平面と平行とならないように吸気を斜め下方向に気筒内へ供給しているだけである。それにより、吸気行程において横旋回速度成分と縦旋回速度成分とを有して気筒内を斜めに旋回する気流が形成されるが、このように形成される気流は弱いものであり、圧縮行程後半となるまでには減衰により消滅し、圧縮行程後半において気筒内に乱れを発生させることはできない。
【０００６】
従って、本発明の目的は、横旋回速度成分と縦旋回速度成分とを有して気筒内を斜めに旋回する強い気流を形成して、この気流により気筒内に発生する乱れを圧縮上死点まで持続可能とする筒内噴射式火花点火内燃機関を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁を気筒上部周囲における吸気弁と排気弁との間に配置し、均質燃焼時には吸気下死点近傍において前記燃料噴射弁によりシリンダボアの排気弁側へ向けて燃料を噴射し、噴射された前記燃料により吸気行程において気筒内に形成されたタンブル流に横旋回速度成分を付与すると共に、前記タンブル流の縦旋回速度成分を加速することを特徴とする。
【０００８】
本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、ピストン頂面には燃料噴射弁側に偏在してキャビティが形成され、点火プラグは前記キャビティを臨むように配置され、成層燃焼時には、吸気下死点近傍において前記燃料噴射弁によりシリンダボアの排気弁側へ向けて燃料を噴射すると共に、圧縮行程後半又は膨張行程前半において前記燃料噴射弁により前記キャビティ内へ燃料を噴射することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁を気筒上部周囲における吸気弁と排気弁との間に配置し、均質燃焼時には吸気下死点近傍において燃料噴射弁によりシリンダボアの排気弁側へ向けて燃料を噴射し、噴射された燃料により吸気行程において気筒内に形成されたタンブル流に横旋回速度成分を付与すると共に、タンブル流の縦旋回速度成分を加速するようになっている。それにより、タンブル流は、横旋回速度成分と縦旋回速度成分とを有する気流となって気筒内を斜めに旋回し、縦旋回速度成分が加速されているために、この気流は圧縮行程後半まで確実に持続し、圧縮行程後半においてピストンにより潰されて気筒内に乱れを発生させる。この乱れを発生させる時期は、気流が横旋回速度成分を有するために縦旋回速度成分しか有さないタンブル流に比較して遅くなり、それにより、気筒内の乱れは圧縮上死点まで持続し、点火時期が圧縮上死点近くとされても乱れを利用して良好に燃焼速度を速めることができる。
【００１０】
本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、ピストン頂面には燃料噴射弁側に偏在してキャビティが形成され、点火プラグはキャビティを臨むように配置され、成層燃焼時には、吸気下死点近傍において燃料噴射弁によりシリンダボアの排気弁側へ向けて燃料を噴射し、タンブル流を気筒内を斜めに旋回する強い気流とすると共に、圧縮行程後半又は膨張行程前半において燃料噴射弁によりキャビティ内へ燃料を噴射するようになっている。それにより、気筒内を斜めに旋回する強い気流の大部分は圧縮行程後半においてピストンにより潰されてキャビティ外の希薄な均質混合気に乱れを発生させるが、斜めに旋回する気流の一部は、キャビティによって圧縮上死点においても潰されることなくキャビティを利用して気筒内を斜めに旋回し続けるために、圧縮行程後半又は膨張行程前半において、成層燃焼時の点火時期前に燃料噴射弁によりキャビティ内へ噴射された燃料は、キャビティを利用して旋回する気流によってキャビティ内及びキャビティ上方に可燃混合気を形成し、この可燃混合気をキャビティを臨む点火プラグにより着火燃焼させ、この火炎によりキャビティ外の希薄混合気を燃焼させることにより、良好な成層燃焼を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。図１及び２は、均質燃焼のための燃料噴射時期である吸気下死点近傍を示している。図１及び２において、１は一対の吸気弁であり、２は一対の排気弁である。３は気筒上部周囲において吸気弁１と排気弁２との間に配置されて気筒内へ直接的に燃料を噴射するための燃料噴射弁であり、４は気筒上部略中心に配置された点火プラグである。このように燃料噴射弁３を筒内で最も高温となる点火プラグ４近傍から離間させることにより、燃料噴射弁３の噴孔近傍の温度上昇が抑制されて噴孔近傍にデポジットが生成され難くなる。５はピストンである。
【００１２】
本実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関は、均質燃焼時において、吸気下死点近傍において燃料を噴射する。例えば、吸気下死点直前、吸気下死点、又は、吸気下死点直後に燃料噴射終了時期を設定して、機関運転状態毎の燃料噴射量により定まる燃料噴射開始時期から燃料噴射を開始する。又は、吸気行程後半の設定クランク角度を燃料噴射開始時期として、機関運転状態毎の燃料噴射量を噴射する。
【００１３】
燃料噴射弁３は、複数の噴孔を有し、図１及び２に示すように、各噴孔から噴射される燃料Ｆをいずれも斜め下方向にシリンダボアの排気弁側（好ましくは、吸気下死点近傍におけるシリンダボアの排気弁側下部）へ向けて噴射する。燃料噴射弁３から噴射される各燃料Ｆの貫徹力は、燃料噴射開始から１ｍｓ後の燃料先端が６０ｍｍ以上に達するように設定される。
【００１４】
このように強い貫徹力の燃料Ｆが気筒上部周囲における吸気弁１と排気弁２との間からシリンダボアの排気弁側へ向けて斜め下方向に噴射されると、各燃料Ｆの貫徹力によって、気筒内の排気弁側を下降して吸気弁側を上昇するような縦旋回速度成分を有して気筒内に形成されたタンブル流Ｔには、横旋回速度成分が付与されると共に、タンブル流Ｔの縦旋回速度成分を強めることができる。
【００１５】
それにより、図１の燃料噴射終了直後のＢ−Ｂ断面図である図３に示すように、タンブル流Ｔは、縦旋回速度成分と横旋回速度成分とを有して気筒内を斜めに旋回する気流Ｔ’となる。また、前述したように縦旋回速度成分が噴射燃料により強められているために、この気流Ｔ’は圧縮行程後半まで確実に持続する。圧縮行程後半となると、縦旋回速度成分しか有していないタンブル流では、所定クランク角度においてシリンダヘッドとピストン５との間が旋回するには狭くなって潰され、気筒内の乱れとなるが、本実施形態の気流Ｔ’は、縦旋回速度成分だけでなく横旋回速度成分も有するために、図４に示すように、圧縮行程後半の所定クランク角度となっても潰されることなく依然として気筒内を斜めに旋回し続ける。
【００１６】
その後、気流Ｔ’はピストン５により潰され気筒内の乱れとなる。タンブル流により発生する気筒内の乱れは、発生時期が比較的早いために、時間的に圧縮上死点までは持続しない。しかしながら、本実施形態の気流Ｔ’は、タンブル流に比較して潰されて乱れを発生する時期が遅いために、その分、乱れを圧縮上死点まで持続することができる。
【００１７】
それにより、機関低回転時のように点火時期が圧縮上死点近くとされても、この燃焼に際して気筒内には乱れが存在するために、乱れを利用した燃焼速度の速い良好な均質燃焼を実現することができる。もちろん、本実施形態の気流Ｔ’は、機関高回転時の点火時期よりは早く潰されて気筒内に乱れを発生させるために、機関高回転時においても乱れを利用した燃焼速度の速い良好な均質燃焼を実現することができる。
【００１８】
燃料噴射弁４から噴射される噴射燃料Ｆの形状は、任意に設定可能であり、例えば、単一噴孔から噴射される中実又は中空の円錐形状としても良い。また、スリット状噴孔から噴射される比較的厚さの薄い略扇形状としても良い。また、円弧状スリット噴孔や複数の直線スリット噴孔の組み合わせにより、上側及び排気弁側を凸とする比較的厚さの薄い円弧状断面形状又は折れ線状断面形状としても良い。いずれにしても噴射燃料が前述したような強い貫徹力を有して、気筒内のタンブル流Ｔの縦旋回速度成分を加速させると共にタンブル流Ｔに横旋回速度成分を付与するようになっていれば良い。
【００１９】
本実施形態において、均質燃焼の空燃比は、理論空燃比よりリーンとされ（好ましくは、ＮＯXの生成量が抑制されるリーン空燃比とされる）、燃料消費を抑制するようにしているために、燃焼が緩慢となり易く、前述のようにして燃焼速度を速めることは特に有効である。もちろん、均質燃焼の空燃比は、理論空燃比又はリッチ空燃比としても良く、この場合においても燃焼速度を速めることは有効である。
【００２０】
図５は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関のもう一つの実施形態を示す概略縦断面図であり、図６は図５のピストンの平面図である。図５及び６は、成層燃焼のための燃料噴射時期である圧縮行程後半又は膨張行程前半を示している。前述の実施形態との違いは、ピストン５’の頂面に、燃料噴射弁４側に偏在してキャビティ５ａ’が形成されていることである。キャビティ５ａ’は、気筒上部略中心の点火プラグ４がキャビティ５ａ’内の周囲を臨むような大きさを有している。
【００２１】
本実施形態においても、機関負荷が設定負荷以上である時には、前述の実施形態と同様に吸気下死点近傍において燃料が噴射され、点火時期が遅角側の低回転時及び進角側の高回転時のいずれにおいても、気筒内の乱れを利用した燃焼速度の速い良好な均質燃焼が可能である。
【００２２】
本実施形態では、ピストン５’の頂面にキャビティ５ａ’が形成されているために、機関負荷が設定負荷未満である時には成層燃焼が可能である。成層燃焼に際しては、燃料噴射弁３により必要燃料量を二分割して噴射する。第一の燃料噴射は、均質燃焼時と同じ吸気下死点近傍である。それにより、前述同様に、タンブル流Ｔに横旋回速度成分を付与すると共に、タンブル流Ｔの縦旋回速度成分を強めて、タンブル流Ｔを気筒内を斜めに旋回する気流Ｔ’にする。
【００２３】
この気流Ｔ’は圧縮行程後半において当初は依然として気筒内を斜めに旋回するが、その後、気流Ｔ’の大部分は潰されてキャビティ５ａ’外に乱れを有する混合気を形成する。成層燃焼時は低負荷時であるために、燃料噴射量が少なく、それを二分割するために第一の燃料噴射における燃料噴射量はさらに少なく、キャビティ５ａ’外に形成される混合気Ｍは希薄なものである。
【００２４】
一方、第二の燃料噴射は圧縮行程後半とされ、図５に示すように、各噴射燃料Ｆ’がキャビティ５ａ’内へ噴射されるようにする。このようにキャビティ５ａ’内へ噴射された燃料Ｆ’は、圧縮上死点においても気流の一部Ｔ”がキャビティ５ａ’の存在によって潰されることなくキャビティ５ａ’を利用して気筒内を斜めに旋回し続けるために、成層燃焼時の点火時期前にキャビティ５ａ’内に噴射された燃料は、キャビティ５ａ’内を旋回する気流の一部Ｔ”によって気化して、キャビティ５ａ’内及びキャビティ５ａ’上方に可燃混合気を形成する。
【００２５】
もちろん、第二の燃料噴射の燃料噴射量は、キャビティ５ａ’内及びキャビティ５ａ’上方に形成される混合気が可燃混合気となるように設定される。こうして、この可燃混合気をキャビティ５ａ’を臨む点火プラグ４により着火燃焼させ、その火炎によりキャビティ５ａ’外の希薄混合気Ｍを燃焼させることができ、良好な成層燃焼を実現することができる。
【００２６】
キャビティ５ａ’を利用して気筒内を斜めに旋回する気流は、圧縮上死点においても潰されることはないために、その後の膨張行程においても旋回し続ける。それにより、機関始動時において触媒装置の早期暖機等のために排気ガス温度を高める場合において、点火時期を膨張行程前半まで遅角しても、この点火時期前にキャビティ５ａ’内に噴射された燃料はキャビティ５ａ’内の気流Ｔ”によってキャビティ５ａ’内及びキャビティ５ａ’上方に可燃混合気を形成するために、成層燃焼を実施することができる。このように、成層燃焼時には、第二の燃料噴射として、設定された点火時期（圧縮行程後半又は膨張行程前半）より前にキャビティ５ａ’内へ可燃混合気が形成されるだけの燃料を噴射すれば良い。
【００２７】
圧縮行程後半に第二の燃料噴射を実施する場合には、噴射燃料の一部が気流Ｔ’により運びさられてキャビティ５ａ’内へ入らないことがあるために、圧縮行程後半において気流Ｔ’の大部分が潰されてキャビティ５ａ’外の乱れとなった後に第二の燃料噴射を実施することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す吸気下死点近傍の概略縦断面図である。
【図２】図１の筒内噴射式火花点火内燃機関のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射終了直後のＢ−Ｂ断面図である。
【図４】図１の筒内噴射式火花点火内燃機関の圧縮行程後半の概略縦断面図である。
【図５】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関のもう一つの実施形態を示す圧縮行程後半の概略断面図である。
【図６】図５の筒内噴射式火花点火内燃機関のピストンの平面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１    吸気弁
２    排気弁
３    燃料噴射弁
４    点火プラグ
５，５’    ピストン
５ａ’    キャビティ
Ｔ    タンブル流
Ｔ’、Ｔ”    気流
Ｆ、Ｆ’    噴射燃料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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