(57)【要約】【課題】自着火燃焼の燃焼速度を速めて良好なスパークアシストディーゼル燃焼を実現可能とする。【解決手段】ピストン頂面の中央部に形成された燃焼室２ａと、ピストン頂面の周囲部とシリンダヘッドとの間に形成される火花点火室２ｂと、火花点火室に配置された点火プラグ５と、燃料噴射弁１とを具備し、圧縮行程末期において点火プラグによって火花点火室内の可燃混合気を火花点火させ、火花点火室から略接線方向に燃焼室内へ噴出する燃焼ガスによって燃焼室内に横旋回流を発生させると共に燃焼室内の圧力及び温度を上昇させ、燃焼室内で燃料Ｆ２を着火させることを特徴とする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン頂面の中央部に形成された燃焼室と、ピストン頂面の周囲部とシリンダヘッドとの間に形成される火花点火室と、前記火花点火室に配置された点火プラグと、燃料噴射弁とを具備し、圧縮行程末期において前記点火プラグによって前記火花点火室内の可燃混合気を火花点火させ、前記火花点火室から略接線方向に前記燃焼室内へ噴出する燃焼ガスによって前記燃焼室内に横旋回流を発生させると共に前記燃焼室内の圧力及び温度を上昇させ、前記燃焼室内で燃料を着火させることを特徴とするスパークアシストディーゼルエンジン。
【請求項２】
前記燃料噴射弁は、圧縮行程において前記点火プラグによる火花点火直前に前記火花点火室内及び前記燃焼室内へ燃料を噴射することを特徴とする請求項１に記載のスパークアシストディーゼルエンジン。
【請求項３】
前記燃料噴射弁は、圧縮行程において前記点火プラグによる火花点火直前に前記火花点火室内へ燃料噴射し、前記点火プラグによる火花点火直後に前記燃焼室内へ燃料を噴射することを特徴とする請求項１に記載のスパークアシストディーゼルエンジン。
【請求項４】
ピストン頂面の周囲部には複数の前記火花点火室が設けられ、複数の前記火花点火室のそれぞれに前記点火プラグが配置され、前記燃料噴射弁は、気筒上部略中心に配置され、圧縮行程において各前記点火プラグによる火花点火直前に各前記火花点火室内へ燃料噴射し、各前記点火プラグによる火花点火直後に前記燃焼室内へ燃料を噴射することを特徴とする請求項３に記載のスパークアシストディーゼルエンジン。
【請求項５】
前記燃料噴射弁は、圧縮行程において前記火花点火室内へ燃料噴射し、前記点火プラグによる前記火花点火室内での火花点火直前に前記燃焼室内へ燃料を噴射することを特徴とする請求項１に記載のスパークアシストディーゼルエンジン。
【請求項６】
ピストン頂面の周囲部には複数の前記火花点火室が設けられ、複数の前記火花点火室のそれぞれに前記点火プラグが配置され、前記燃料噴射弁は、気筒上部略中心に配置され、圧縮行程において各前記火花点火室内へ燃料噴射し、各前記点火プラグによる各前記火花点火室での火花点火直前に前記燃焼室内へ燃料を噴射することを特徴とする請求項５に記載のスパークアシストディーゼルエンジン。
【請求項７】
前記燃料噴射弁は、吸気行程において気筒内に燃料を噴射して圧縮行程末期に前記火花点火室内に可燃混合気を形成し、前記点火プラグによる火花点火直後に前記燃焼室内へ燃料を噴射することを特徴とする請求項１に記載のスパークアシストディーゼルエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スパークアシストディーゼルエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
自着火温度が高い燃料による自着火燃焼を実現するために、気筒上部中心に窪み部を形成し、第一燃料噴射弁により窪み部内へ燃料を噴射し、圧縮上死点直前において窪み部内の燃料を点火プラグにより火花点火させ、この窪み部内の燃料の燃焼によって気筒内の圧力及び温度を上昇させ、圧縮上死点直後に第二燃料噴射弁により気筒内へ燃料を噴射して燃料を自着火燃焼させるスパークアシストディーゼルエンジンが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２５４１０５
【特許文献２】特表２００３−５３２８２８
【特許文献３】特開２００２−１５５７８０
【特許文献４】特開２００６−１８８９７７
【特許文献５】特開２００４−１００５０１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述のスパークアシストディーゼルエンジンの構成では、気筒内での自着火燃焼において燃焼が緩慢となり易い。
【０００５】
従って、本発明の目的は、燃焼速度を速めて良好なスパークアシストディーゼル燃焼を実現可能なスパークアシストディーゼルエンジンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による請求項１に記載のスパークアシストディーゼルエンジンは、ピストン頂面の中央部に形成された燃焼室と、ピストン頂面の周囲部とシリンダヘッドとの間に形成される火花点火室と、前記火花点火室に配置された点火プラグと、燃料噴射弁とを具備し、圧縮行程末期において前記点火プラグによって前記火花点火室内の可燃混合気を火花点火させ、前記火花点火室から略接線方向に前記燃焼室内へ噴出する燃焼ガスによって前記燃焼室内に横旋回流を発生させると共に前記燃焼室内の圧力及び温度を上昇させ、前記燃焼室内で燃料を着火させることを特徴とする。
【０００７】
本発明による請求項２に記載のスパークアシストディーゼルエンジンは、請求項１に記載のスパークアシストディーゼルエンジンにおいて、前記燃料噴射弁は、圧縮行程において前記点火プラグによる火花点火直前に前記火花点火室内及び前記燃焼室内へ燃料を噴射することを特徴とする。
【０００８】
本発明による請求項３に記載のスパークアシストディーゼルエンジンは、請求項１に記載のスパークアシストディーゼルエンジンにおいて、前記燃料噴射弁は、圧縮行程において前記点火プラグによる火花点火直前に前記火花点火室内へ燃料噴射し、前記点火プラグによる火花点火直後に前記燃焼室内へ燃料を噴射することを特徴とする。
【０００９】
本発明による請求項４に記載のスパークアシストディーゼルエンジンは、請求項３に記載のスパークアシストディーゼルエンジンにおいて、ピストン頂面の周囲部には複数の前記火花点火室が設けられ、複数の前記火花点火室のそれぞれに前記点火プラグが配置され、前記燃料噴射弁は、気筒上部略中心に配置され、圧縮行程において各前記点火プラグによる火花点火直前に各前記火花点火室内へ燃料噴射し、各前記点火プラグによる火花点火直後に前記燃焼室内へ燃料を噴射することを特徴とする。
【００１０】
本発明による請求項５に記載のスパークアシストディーゼルエンジンは、請求項１に記載のスパークアシストディーゼルエンジンにおいて、前記燃料噴射弁は、圧縮行程において前記火花点火室内へ燃料噴射し、前記点火プラグによる前記火花点火室内での火花点火直前に前記燃焼室内へ燃料を噴射することを特徴とする。
【００１１】
本発明による請求項６に記載のスパークアシストディーゼルエンジンは、請求項５に記載のスパークアシストディーゼルエンジンにおいて、ピストン頂面の周囲部には複数の前記火花点火室が設けられ、複数の前記火花点火室のそれぞれに前記点火プラグが配置され、前記燃料噴射弁は、気筒上部略中心に配置され、圧縮行程において各前記火花点火室内へ燃料噴射し、各前記点火プラグによる各前記火花点火室での火花点火直前に前記燃焼室内へ燃料を噴射することを特徴とする。
【００１２】
本発明による請求項７に記載のスパークアシストディーゼルエンジンは、請求項１に記載のスパークアシストディーゼルエンジンにおいて、前記燃料噴射弁は、吸気行程において気筒内に燃料を噴射して圧縮行程末期に前記火花点火室内に可燃混合気を形成し、前記点火プラグによる火花点火直後に前記燃焼室内へ燃料を噴射することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明による請求項１に記載のスパークアシストディーゼルエンジンによれば、ピストン頂面の中央部に形成された燃焼室と、ピストン頂面の周囲部とシリンダヘッドとの間に形成される火花点火室と、火花点火室に配置された点火プラグと、燃料噴射弁とを具備し、圧縮行程末期において点火プラグによって火花点火室内の可燃混合気を火花点火させ、火花点火室から略接線方向に燃焼室内へ噴出する燃焼ガスによって燃焼室内に横旋回流を発生させると共に燃焼室内の圧力及び温度を上昇させるために、高温高圧とされた燃焼室内には横旋回流によって乱れが発生し、燃焼室内において燃料を良好に着火させることができ、次いで、乱れにより燃焼速度を速めることができ、良好なスパークアシストディーゼル燃焼を実現することができる。
【００１４】
本発明による請求項２に記載のスパークアシストディーゼルエンジンによれば、請求項１に記載のスパークアシストディーゼルエンジンにおいて、燃料噴射弁は、圧縮行程において点火プラグによる火花点火直前に火花点火室内及び燃焼室内へ燃料を噴射するようになっており、それにより、複数の燃料噴射弁を設けることなく、火花点火室内に可燃混合気を形成すると共に燃焼室内に着火させる燃料を存在させることができる。
【００１５】
本発明による請求項３に記載のスパークアシストディーゼルエンジンによれば、請求項１に記載のスパークアシストディーゼルエンジンにおいて、燃料噴射弁は、圧縮行程において点火プラグによる火花点火直前に火花点火室内へ燃料噴射し、点火プラグによる火花点火直後に燃焼室内へ燃料を噴射するようになっており、それにより、複数の燃料噴射弁を設けることなく、火花点火室内に可燃混合気を形成すると共に燃焼室内に着火させる燃料を存在させることができる。
【００１６】
本発明による請求項４に記載のスパークアシストディーゼルエンジンによれば、請求項３に記載のスパークアシストディーゼルエンジンにおいて、ピストン頂面の周囲部には複数の火花点火室が設けられ、複数の火花点火室のそれぞれに点火プラグが配置され、燃料噴射弁は、気筒上部略中心に配置され、圧縮行程において各点火プラグによる火花点火直前に各火花点火室内へ燃料噴射し、各点火プラグによる火花点火直後に燃焼室内へ燃料を噴射するようになっており、それにより、複数の火花点火室から略接線方向に燃焼室内へ燃焼ガスが噴出するために、燃焼室内に強い横旋回流を発生させることができると共に燃焼室内の圧力及び温度を非常に高めることができ、複数の燃料噴射弁を設けることなく、各火花点火室内に可燃混合気を形成すると共に燃焼室内に着火させる燃料を存在させ、良好なスパークアシストディーゼル燃焼を実現することができる。
【００１７】
本発明による請求項５に記載のスパークアシストディーゼルエンジンによれば、請求項１に記載のスパークアシストディーゼルエンジンにおいて、前記燃料噴射弁は、圧縮行程において火花点火室内へ燃料噴射し、点火プラグによる火花点火室内での火花点火直前に燃焼室内へ燃料を噴射するようになっており、それにより、複数の燃料噴射弁を設けることなく、火花点火室内に可燃混合気を形成すると共に燃焼室内に着火させる燃料を存在させることができる。
【００１８】
本発明による請求項６に記載のスパークアシストディーゼルエンジンによれば、請求項５に記載のスパークアシストディーゼルエンジンにおいて、ピストン頂面の周囲部には複数の火花点火室が設けられ、複数の火花点火室のそれぞれに点火プラグが配置され、燃料噴射弁は、気筒上部略中心に配置され、圧縮行程において各火花点火室内へ燃料噴射し、各点火プラグによる各火花点火室での火花点火直前に燃焼室内へ燃料を噴射するようになっており、それにより、複数の火花点火室から略接線方向に燃焼室内へ燃焼ガスが噴出するために、燃焼室内に強い横旋回流を発生させることができると共に燃焼室内の圧力及び温度を非常に高めることができ、複数の燃料噴射弁を設けることなく、各火花点火室内に可燃混合気を形成すると共に燃焼室内に着火させる燃料を存在させ、良好なスパークアシストディーゼル燃焼を実現することができる。
【００１９】
本発明による請求項７に記載のスパークアシストディーゼルエンジンによれば、請求項１に記載のスパークアシストディーゼルエンジンにおいて、燃料噴射弁は、吸気行程において気筒内に燃料を噴射して圧縮行程末期に火花点火室内に可燃混合気を形成し、点火プラグによる火花点火直後に燃焼室内へ燃料を噴射するようになっており、それにより、複数の燃料噴射弁を設けることなく、火花点火室内に可燃混合気を形成すると共に燃焼室内に着火させる燃料を存在させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は本発明によるスパークアシストディーゼルエンジンの実施形態を示す概略縦断面図であり、圧縮行程末期の第一燃料噴射時期を示している。図２は図１のスパークアシストディーゼルエンジンの気筒内平面図である。これらの図において、１は気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁であり、２はピストン、３は一対の吸気ポート、４は一対の排気ポートを、それぞれ示している。ピストン２の頂面の中央部には、燃焼室２ａが形成されている。燃焼室２ａは略円形状であり、周辺部の方が中心部より深く形成されており、平面視において、燃料噴射弁１は燃焼室２ａの略中心に位置している。
【００２１】
燃料噴射弁１は、平面視において略放射状に燃料を噴射するための例えば４つの噴孔を有している。各噴孔は僅かに斜め下方向に燃料を噴射するように形成されている。図３にも示すように、ピストン２の頂面の周囲部には、燃料噴射弁１の噴孔数に対応して四つの凹部２ｂが形成され、各凹部２ｂは、略接線方向に燃焼室２ａの周辺部に開口する開口部２ｃを有すると共に、開口部２ｃから燃焼室２ａの略接線方向に延在する壁２ｄを有している。
【００２２】
図１に示すように、燃料噴射弁１は、燃料圧縮行程末期の第一燃料噴射時期において四方向に燃料を噴射し、各噴射燃料Ｆ１はピストン２の頂面周囲部に形成された各凹部２ｂ内へそれぞれの開口部２ｃから進入する。
【００２３】
このような第一燃料噴射時期の燃料噴射が完了すると、各凹部２ｂ内には可燃混合気が形成され、この時には、各凹部２ｂはシリンダヘッドに接近し、シリンダヘッドには各凹部２ｂを臨むように四つの点火プラグ５が配置されているために、各凹部２ｂ内の可燃混合気は各点火プラグ５により火花点火させることができる。このように、各凹部２ｂは、ピストン頂面の周囲部とシリンダヘッドとの間に形成される火花点火室となる。
【００２４】
図４及び５は、点火プラグ５の火花点火直後の図１及び２に相当する図である。これらの図に示すように、各火花点火室２ｂにおいて火花点火により燃焼する可燃混合気は膨張し、図５に矢印で示すように燃焼ガスとして各開口部２ｃを介して燃焼室２ａ内へ略接線方向に噴出する。それにより、燃焼室２内には横旋回流が発生すると共に、燃焼室２ａ内の圧力及び温度は高められる。
【００２５】
次いで、燃料噴射弁１は、点火プラグによる火花点火直後の第二燃料噴射時期において燃料を噴射し、この時期に噴射される各燃料Ｆ２は、燃焼室２ａ内へ進入する。燃料噴射弁１は平面視において放射状の四方向に燃料を噴射するものであるために、燃焼室２ａ内に広く噴射燃料を分散させることができる。
【００２６】
この時において、燃焼室２ａ内の温度及び圧力は、ピストン２による気筒内の断熱圧縮に加えて、各火花点火室２ｂから燃焼室２ａ内へ噴出する燃焼ガスの存在によって非常に高められている。それにより、燃焼室２ａ内へ噴射された燃料Ｆ２は容易に自着火し、その後の燃焼は燃焼室２ａ内の横旋回流による乱れによって速められ、良好なスパークアシストディーゼル燃焼を実現することができる。また、燃焼室２ａ内へ噴射された燃料Ｆ２は、前述のように、燃焼室２ａ内の温度及び圧力が非常に高められているために着火し易く、各火花点火室２ｂから噴出する燃焼ガスの火炎によって着火させられることもある。このように、燃焼室２ａ内の燃料Ｆ２の着火は、自着火に限定されることなく、火炎伝播による着火でも良い。
【００２７】
このようなスパークアシストディーゼル燃焼によれば、自着火温度が高いアルコール系燃料又は天然ガス等のディーゼル燃焼が可能となり、また、燃料として軽油が使用される場合には内燃機関の圧縮比を下げることができ、例えば、内燃機関の重量を低減することが可能となる。本実施形態によれば、燃焼室２ａ内の乱れによって燃焼速度の速い良好なスパークアシストディーゼル燃焼を実現することができる。
【００２８】
第一燃料噴射時期（Ｔ１からＴ２）、点火時期（ＩＴ）、及び、第二燃料噴射時期（Ｔ３からＴ４）の関係は、図６に示すようになっており、第一燃料噴射の終了時期Ｔ２の直後において圧縮上死点ＴＤＣ前に点火時期ＩＴが設定され、点火時期ＩＴの直後において、好ましくは圧縮上死点ＴＤＣ前（圧縮上死点後としても良い）に第二燃料噴射の開始時期Ｔ３が設定されている。第二燃料噴射の終了時期Ｔ４は圧縮上死点ＴＤＣの前後のいずれでも良い。
【００２９】
また、燃料噴射弁１の燃料噴射方向を適当に選択することにより、第一燃料噴射時期を圧縮行程前半として、各噴射燃料Ｆ１がピストン２の頂面周囲部に形成された各凹部２ｂ内へ向かうようにし、第二燃料噴射の開始時期Ｔ３を点火時期ＩＴの直前とするようにしても良い。
【００３０】
前述の実施形態において、各火花点火室２ｂは、四つの火花点火室２ｂからそれぞれに燃焼室２ａへ噴出する燃焼ガスが燃焼室２ａ内において全て同一方向に旋回するように、構成されている。このように四つの火花点火室２ｂが設けられる場合には、各火花点火室２ｂに点火プラグ５が必要となるために点火系のコストが増大してしまう。それにより、例えば、火花点火室２ｂは、一つ又は二つ（好ましくは、直径方向に対向する二つ）として、点火プラグ５の数を一つ又は二つに減少させる変形例も考えられる。
【００３１】
この変形例の場合には、圧縮行程末期の前述の第一燃料噴射において、燃料噴射弁１から火花点火室２ｂが存在しない方向に噴射される燃料は、燃焼室２ａ内へ噴射されることとなる。もちろん、本変形例の場合には、燃料噴射弁１の各噴射方向は、垂直軸線との角度を同一にする必要はなく、例えば、火花点火室２ｂが存在しない噴射方向は、垂直軸線との角度を小さくして第一燃料噴射時期において燃料が確実に燃焼室２ａ内へ噴射されるようにしても良い。
【００３２】
本変形例において、火花点火室２ｂ内の可燃混合気の火花点火直後に火花点火室２ｂから燃焼室２ａ内へ燃焼ガスが噴出して燃焼室２ａ内の圧力及び温度が高められれば、既に燃焼室２ａ内には燃料が噴射されているために、この燃料を容易に自着火させ、次いで、噴出燃焼ガスの横旋回流による燃焼室２ａ内の乱れによって自着火燃焼の燃焼速度を速めることができる。このように、本変形例では、第一燃料噴射だけでも良好なスパークアシストディーゼル燃焼を実現することができる。もちろん、点火プラグ５の火花点火直後に第二燃料噴射を実施するようにしても良い。
【００３３】
図７は、第一燃料噴射（Ｔ１’からＴ２’）を吸気行程に実施する場合を示している。このように第一燃料噴射が吸気行程（好ましくは、噴射燃料がピストン２に付着することがないように吸気行程中期以降）に実施されれば、気筒内に均質混合気が形成され、圧縮行程末期の点火時期において、燃料噴射弁１の噴孔数及び火花点火室２ｂの数に関係なく、設けられた火花点火室２ｂ内には確実に均質可燃混合気を存在させることができる。
【００３４】
それにより、火花点火室２ｂ内での可燃混合気の火花点火直後において、第二燃料噴射として燃料噴射弁１により燃焼室２ａ内に燃料が噴射されれば、火花点火室２ｂから燃焼室２ａ内へ噴出する燃焼ガスが、燃焼室２ａ内に乱れを発生させ、燃焼室２ａ内の圧力及び温度を上昇させるために、燃焼室２ａ内での良好な自着火燃焼を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明によるスパークアシストディーゼルエンジンの実施形態を示す概略縦断面図であり、圧縮行程末期の第一燃料噴射時期を示している。
【図２】図１のスパークアシストディーゼルエンジンの気筒内平面図である。
【図３】ピストンの斜視図である。
【図４】火花点火直後の第二燃料噴射時期を示す図１に相当する図である。
【図５】火花点火直後の第二燃料噴射時期を示す図２に相当する図である。
【図６】第一燃料噴射時期、点火時期、及び、第二燃料噴射時期との関係を示すタイムチャートである。
【図７】第一燃料噴射時期、点火時期、及び、第二燃料噴射時期との関係を示すもう一つのタイムチャートである。
【符号の説明】
【００３６】
１    燃料噴射弁
２    ピストン
２ａ    燃焼室
２ｂ    火花点火室
３    吸気ポート
４    排気ポート
５    点火プラグ
【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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【図７】
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