(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒上部に配置された点火プラグと、前記点火プラグ近傍へ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁と、成層燃焼を実施するために前記燃料噴射弁から圧縮行程において噴射される燃料噴霧の下方向近傍又は横方向近傍を通過する気流を気筒内に発生させるための気体噴射弁とを具備し、前記点火プラグ近傍へ向かう前記燃料噴霧は、前記気流のエアカーテン作用によって下方向又は横方向に分散することが抑制され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】
前記気体噴射弁は、前記燃料噴射弁から燃料を噴射する以前に前記気流を気筒内に発生させ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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
気筒内へ直接的に燃料を噴射することにより、点火時点において点火プラグ近傍だけに着火性の良好な混合気（以下、可燃混合気）を形成し、気筒内全体としては希薄な混合気の燃焼を可能にする成層燃焼が公知である。一般的な筒内噴射式火花点火内燃機関は、このような成層燃焼に際して、圧縮行程後半にピストン頂面に形成された凹状のキャビティ内へ燃料を噴射するようになっている。こうして噴射された燃料は、キャビティ壁面から受熱して気化すると共にキャビティ形状によって点火プラグ近傍へ導かれ、点火プラグ近傍に可燃混合気を形成することが意図されている。
【０００３】
燃料噴射弁は、一般的に気筒上部周囲に配置されて燃料を斜め下方向に噴射するものであるために、ピストン頂面に形成されたキャビティ内へ確実に燃料を噴射するには、燃料噴射中におけるピストンの位置範囲が制限され、すなわち、圧縮行程後半にしか燃料を噴射することができない。こうして、噴射可能な燃料量は必然的に少なくなり、成層燃焼運転領域は狭いものとされる。
【０００４】
燃費効率の高い成層燃焼を広い運転領域で実施するためには、ピストン位置に係わらない燃料噴射を可能として比較的多量の燃料を噴射可能とすることが必要であり、例えば、ピストン頂面にキャビティを形成することなく、噴射燃料によって直接的に点火プラグ近傍に可燃混合気を形成することが考えられる。
【０００５】
しかしながら、点火プラグへ向けて燃料を噴射するだけでは、燃料を飛行中に吸気と十分に接触させて気化させることはできても、この気化燃料は気筒内へ広く分散し易く、点火時点において点火プラグ近傍に可燃混合気を形成することはできない。
【０００６】
また、特開平１０−３３１６４２号公報には、燃料噴射弁と対向して空気噴射弁を配置し、ピストン頂面に形成されたガイド溝の中央において、燃料噴射弁から噴射された燃料と空気噴射弁から噴射された高圧空気とを衝突させ、燃料を分散させずに可燃混合気として点火プラグ下方へ移送させるようにすることが開示されている。
【０００７】
この従来技術は、ピストン頂面に形成されたガイド溝を可燃混合気の形成及び移送に使用するものであり、依然として、ピストン位置に係わらない燃料噴射が可能とはなっていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、成層燃焼時において、ピストン位置に係わらずに燃料を噴射して、直接的に点火プラグ近傍に可燃混合気を形成することを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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
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、気筒上部に配置された点火プラグと、前記点火プラグ近傍へ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁と、成層燃焼を実施するために前記燃料噴射弁から圧縮行程において噴射される燃料噴霧の下方向近傍又は横方向近傍を通過する気流を気筒内に発生させるための気体噴射弁とを具備し、前記点火プラグ近傍へ向かう前記燃料噴霧は、前記気流のエアカーテン作用によって下方向又は横方向に分散することが抑制されることを特徴とする。
【００１０】
また、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、前記気体噴射弁は、前記燃料噴射弁から燃料を噴射する以前に前記気流を気筒内に発生させることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第一実施形態を示す概略縦断面図である。図２は図１におけるシリンダヘッドの底面図である。これらの図において、１は吸気ポート、２は排気ポートである。吸気ポート１は吸気弁３を介して、排気ポート２は排気弁４を介して、それぞれ気筒内へ通じている。５はピストンであり、６は気筒略中心上部に配置された点火プラグである。７は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る。
【００１２】
燃料噴射弁７は、気筒上部周囲の吸気ポート１側に配置されており、この位置は吸気によって冷却されるために、燃料噴射弁７において燃料ベーパが発生し難くなる。燃料噴射弁７は、図１及び２にドットで示すように、例えば、燃料に噴射方向回りの旋回力を付与して、燃料を円錐形状に噴射するものである。こうして噴射された燃料は、比較的小さな慣性力を有して飛行し、気筒内の吸気と十分に接触して容易に気化する。燃料噴射弁７は、この円錐形状の燃料噴霧を点火プラグ６近傍へ向けて噴射する。
【００１３】
機関高負荷時等において均質燃焼を意図する場合には、燃料噴射弁７による燃料噴射は吸気行程で行われる。燃料噴射弁７から噴射された燃料噴霧は、点火プラグ６近傍へ向けて飛行し、徐々に気化しながら分散する。さらに、この時には気筒内へ吸気が導入されており、燃料噴霧は、この吸気によっても十分に攪拌される。こうして、噴射燃料は、その後の圧縮行程での十分な混合を経て、点火時点において気筒内に十分に均質化された均質混合気を形成することができ、良好な均質燃焼を実現することができる。
【００１４】
一方、成層燃焼を意図する場合には、燃料噴射弁７による燃料噴射は圧縮行程で行われる。ピストン頂面に形成されたキャビティ内へ燃料を噴射する一般的な筒内噴射式火花点火内燃機関とは異なり、本実施形態では、ピストン位置に係わらずに圧縮行程前半から燃料噴射を開始することも可能であり、比較的多量の燃料を噴射することができるために、燃費効率の高い成層燃焼の領域を高負荷側へ拡大することができる。
【００１５】
しかしながら、前述したように、燃料噴射弁７から噴射された燃料は、徐々に分散するために、このままでは、点火時点において点火プラグ６近傍に可燃混合気を形成することができない。この問題を解決するために、本実施形態では、燃料噴射弁７の直下側に空気噴射弁８が配置され、成層燃焼時において燃料噴射弁７から燃料が噴射される時には、空気噴射弁８によって高圧空気を噴射し、図１に斜線で示すように、燃料噴霧の下方向近傍を通過する空気流を気筒内に発生させるようになっている。
【００１６】
この空気流は、図２に示すように、空気噴射弁８から比較的厚さの薄い略扇形状に噴射され、エアカーテンのように機能して、燃料噴射弁７から噴射された燃料噴霧が特に下方へ分散することを抑制する。燃料噴霧は、重力によって特に下方へ分散し易く、こうして下方への分散が抑制されれば、点火プラグ６近傍へ向けられた燃料噴霧は、気筒上部の点火プラグ６近傍を含む部分に留まって可燃混合気を形成する。それにより、圧縮行程初期から燃料噴射を開始したとしても、点火時点において、点火プラグ６近傍に可燃混合気を位置させて良好な成層燃焼を実現することができる。
【００１７】
空気噴射弁８は、図１に示すように、斜め下方向に高圧空気を噴射し、それにより、空気流は、シリンダボアの空気噴射弁８の対向側に衝突した後に、さらに下側、すなわち、ピストン側へ移動するために、可燃混合気が位置する気筒上部に乱れを発生させることはない。しかしながら、図１に一点鎖線で示すように、空気流を点火直前のピストン頂面に衝突させて空気流を気筒上部側へ偏向するようにしても良い。こうして偏向された空気流は、点火直前の可燃混合気に乱れを発生させ、燃焼速度の速い良好な成層燃焼の実現に寄与すると共に、可燃混合気を確実に点火プラグ６へ導き、可燃混合気の着火性を改善することを可能とする。
【００１８】
図３は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第二実施形態を示す概略縦断面図である。図４は図３におけるシリンダヘッドの底面図である。第一実施形態との違いについてのみ以下に説明する。本実施形態では、二つの空気噴射弁８’が設けられ、それぞれの空気噴射弁８’は、高圧空気を厚さの薄い略扇状に噴射するものであるが、第一実施形態とは異なり、図３及び４に示すように、二つの空気流は、幅方向を縦にして噴射され、燃料噴射弁７から噴射された燃料噴霧の横方向近傍をそれぞれに通過するようになっている。
【００１９】
こうして、それぞれの空気流は、エアカーテンのように機能して、燃料噴射弁７から噴射された燃料噴霧が特に横方向へ分散することを抑制する。こうして燃料噴霧の横方向への分散が抑制されれば、点火プラグ６近傍へ向けられた燃料噴霧は、気筒内の点火プラグ６近傍を上部として有する縦方向空間内に留まって可燃混合気を形成し、この縦方向空間は、ピストン５の上昇に伴って徐々に高さが小さくされ、点火時点においては、点火プラグ６近傍だけの狭い空間となり、この空間内に位置する可燃混合気を確実に着火燃焼させて良好な成層燃焼を実現することができる。
【００２０】
本実施形態では、二つの空気噴射弁８’が設けられ、又は、二つの噴孔を有する一つの空気噴射弁が設けられ、燃料噴霧の横方向近傍の両方を通過する二つの空気流を気筒内に発生させて燃料噴霧の横方向両方への分散を抑制している。しかしながら、もちろん、一つの空気噴射弁だけしか設けずに、燃料噴霧の横方向一方への分散だけを抑制するようにしても、単に、点火プラグ近傍へ向けて燃料を噴射するだけの場合に比較して、点火プラグ近傍に可燃混合気を良好に位置させることができる。
【００２１】
それぞれの空気噴射弁８’は、図３に示すように、斜め下方向に高圧空気を噴射し、それにより、空気流は、シリンダボアの空気噴射弁８’の対向側に衝突した後に、さらに下側、すなわち、ピストン側へ移動するために、主に可燃混合気が位置する気筒上部に乱れを発生させることはない。下方へ分散する燃料噴霧の一部の燃料が、このピストン側へ移動する空気流によって気筒内へ広く分散させられる可能性があるが、本実施形態では、その分、燃料噴霧の横方向への分散を十分に抑制させることができるために、点火時点において、十分に着火燃焼可能な可燃混合気を点火プラグ近傍に位置させることができる。
【００２２】
また、本実施形態における空気流は、シリンダボアとの衝突後において、下側だけでなく、シリンダボアの平面視円弧形状によって、図４に示すように内側へも偏向させられる。それにより、点火直前において、ピストン５が十分に上昇した時には、二つの空気流は、下方向に移動できずに、シリンダボアに沿って互いに衝突した後に点火プラグ６へ向かう。この空気流は、第一実施形態と同様に、点火直前の可燃混合気に乱れを発生させ、燃焼速度の速い良好な成層燃焼の実現に寄与すると共に、可燃混合気を確実に点火プラグ６へ導き、可燃混合気の着火性を改善することを可能とする。
【００２３】
もちろん、第一実施形態の空気噴射弁８と第二実施形態の空気噴射弁８’とを組み合わせて使用することも可能である。それにより、燃料噴射弁７から噴射された燃料噴霧の下方向及び横方向の分散は抑制され、点火時点において、さらに確実に点火プラグ６近傍に可燃混合気を形成することができる。
【００２４】
また、図５は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第三実施形態を示す概略縦断面図である。本実施形態において、燃料噴射弁７’は、第一及び第二実施形態と同様に燃料を円錐形状に噴射することに加えて、高圧空気を燃料噴霧の外側を取り囲むように、中空円錐形状に噴射するものである。こうして気筒内に形成される気流は、燃料噴霧の上方向近傍及び下方向近傍及び横方向近傍を通過するものとなり、燃料噴霧の上下左右方向への分散を抑制する。すなわち、燃料噴霧は、中空円錐形状でシリンダボアに衝突する空気流の内側に留まって可燃混合気を形成し、点火直前において高圧空気の噴射を停止すれば、点火プラグ６近傍には、ほぼ噴射された燃料の全てを使用する可燃混合気を位置させることができ、良好な成層燃焼を実現することができる。
【００２５】
図６は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第四実施形態を示すシリンダヘッドの底面図である。本実施形態においては、矢印で示すように、空気噴射弁８１は、気筒上部のシリンダボアに沿って高圧空気を噴射するものであり、それにより、気筒上部には、燃料噴射弁７から噴射された燃料噴霧の横方向近傍を通過すると共にシリンダボアに沿って横方向に旋回する気流が発生する。こうして形成される気流は、エアカーテンのように機能して前述した実施形態と同様に燃料噴霧が横方向に分散することを抑制すると共に、燃料噴霧が進行してシリンダボアに衝突することも抑制するために、点火時点において点火プラグ６近傍に可燃混合気を形成することができ、良好な成層燃焼を実現可能とする。
【００２６】
図７は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第五実施形態を示すシリンダヘッドの底面図である。本実施形態においては、矢印で示すように、燃料噴射弁７に隣接配置された二つの空気噴射弁８２及び８３からは、気筒上部のシリンダボアの沿って互いに逆向きの高圧空気が噴射される。それにより、気筒上部には、燃料噴射弁７から噴射された燃料噴霧の横方向近傍を通過すると共にシリンダボアに沿って燃料噴射弁７の対向位置で互いに衝突する二つの気流が発生する。こうして形成される気流は、エアカーテンのように機能して前述した実施形態と同様に燃料噴霧が横方向に分散することを抑制して点火プラグ６近傍に可燃混合気を形成し易くする。また、燃料噴射弁７の対向位置で衝突した後に二つの気流は燃料噴射弁７へ向かう気流となる。この気流は、互いの衝突時におけるエネルギ損失等によって非常に弱いものとなっており、燃料噴霧を燃料噴射弁７側へ押し戻すことはなく、エアクッションのように機能して燃料噴霧のシリンダボアへの衝突を防止する。こうして、燃料噴霧は、点火プラグ６近傍に位置して可燃混合気となり、良好な成層燃焼を実現可能とする。
【００２７】
前述した全ての実施形態において、燃料噴射弁は、燃料を円錐形状に噴射するものであるが、これは本発明を限定するものではなく、比較的弱い慣性力を有するように燃料を平らな扇状等に噴射するようにしても良い。また、燃料噴射弁の位置は、気筒上部周囲の吸気ポート２側に限定されることはなく、気筒上部周囲のいずれの位置にも配置可能である。
【００２８】
さらに、第一実施形態においては、燃料噴霧の下方向近傍を通過する気流を発生させるための空気噴射弁の位置は、燃料噴射弁の位置に係わらずに、いずれの位置としても良い。また、第二実施形態においては、燃料噴霧の横方向近傍を通過する気流を発生させるための空気噴射弁の位置は、燃料噴射弁の対向位置としても良い。また、第四実施形態においては、発生する気流は気筒内を旋回するために、空気噴射弁の位置をいずれの位置としても、燃料噴霧の横方向近傍を通過する気流を発生させることができる。
【００２９】
また、全ての実施形態において、高圧空気噴射は、燃料噴射に先立って行うことにより、燃料噴射時点においては気筒内に既にエアカーテンとして機能する前述の気流を発生させることができ、燃料噴霧の分散を良好に抑制することができる。また、全ての実施形態において、高圧空気を噴射する空気噴射弁が設けられているが、噴射気体は、高圧空気に限定されることはなく、例えば、高圧空気と同様に排気ガスを高圧で噴射するようにしても良い。それにより、ＮＯx 低減のための排気ガス再循環を同時に行うことができる。
【００３０】
【発明の効果】
このように、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、気筒上部に配置された点火プラグと、点火プラグ近傍へ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁と、成層燃焼を実施するために燃料噴射弁から圧縮行程において噴射される燃料噴霧の下方向近傍又は横方向近傍を通過する気流を気筒内に発生させるための気体噴射弁とを具備し、点火プラグ近傍へ向かう燃料噴霧は、気流のエアカーテン作用によって下方向又は横方向に分散することが抑制される。こうして、ピストン位置に係わらずに燃料を噴射しても、点火プラグ近傍に直接的に可燃混合気を形成することができ、良好な成層燃焼が実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第一実施形態を示す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シリンダヘッドの底面図である。
【図３】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第二実施形態を示す概略縦断面図である。
【図４】図３の筒内噴射式火花点火内燃機関のシリンダヘッドの底面図である。
【図５】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第三実施形態を示す概略縦断面図である。
【図６】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第四実施形態を示すシリンダヘッドの底面図である。
【図７】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第五実施形態を示すシリンダヘッドの底面図である。
【符号の説明】
６…点火プラグ
７，７’…燃料噴射弁
８，８’，８１，８２，８３…空気噴射弁
【図１】
0003870658.tif 000002
【図２】
0003870658.tif 000003
【図３】
0003870658.tif 000004
【図４】
0003870658.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
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