(57)【要約】【課題】スプレーガイド燃焼方式の筒内噴射型内燃機関において、燃焼室内での燃料の流動を確保した上で、電極部における燃料噴霧の流速を低下させて燃焼安定性を向上させる。【解決手段】ピストン３０の頂面３１に、燃料噴射弁４から点火プラグ５の電極部５ａ近傍に向かって噴射された燃料噴霧に対して反対方向から電極部５ａに向かうように吸気を導くキャビティ３２を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁からの燃料噴霧の噴射経路近傍に電極部が配置された点火プラグとを備え、前記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が前記電極部近傍を通過したときに点火する筒内噴射型内燃機関において、
ピストンの頂面に、前記燃料噴射弁から前記電極部近傍に向かって噴射された燃料噴霧に対して反対方向から前記電極部に向かうように吸気を導く流動制御手段を備えたことを特徴とする筒内噴射型内燃機関。
【請求項２】
前記流動制御手段は、前記ピストンの頂面に形成された窪みであって、縁部が排気弁側で前記電極部に向かって突出するように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射型内燃機関。
【請求項３】
前記流動制御手段は、吸気弁側から排気弁側に向かって幅が縮小するように形成されたことを特徴とする請求項２に記載の筒内噴射型内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒内噴射型内燃機関に関し、特にスプレーガイド燃焼方式を採用した内燃機関の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
筒内噴射型内燃機関の燃焼方式として、スプレーガイド燃焼方式が知られている。スプレーガイド燃焼方式を採用した内燃機関では、燃料噴射弁から噴射される燃料噴射領域内または燃料噴射領域近傍に電極部が位置するよう点火プラグが設置され、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧により生成された混合気が電極部近傍を通過中に点火が行われる。これにより、電極部近傍を比較的リッチな空燃比とする一方、電極部より離れた位置では超リーンとすることができ、燃焼安定性を確保した上で筒内全体ではリーンな空燃比とした所謂成層リーン燃焼によって、燃費の向上を図ることができる。
【０００３】
上記のようなスプレーガイド燃焼方式では、電極部近傍を通過中の混合気に点火するため、点火時期の制約が大きくなる。そこで、燃料噴射弁から噴射された燃料が点火プラグの電極部近傍を通過した後、ピストンに形成したキャビティを介して再び電極部近傍に案内されることで、燃料噴射後の電極部近傍での空燃比の低下を抑制する技術が開発されている（特許文献１）。この特許文献１では、燃料噴射弁からキャビティを経由して電極部に燃料噴霧を到達し易くするために、燃料噴射弁から電極部へ向かう燃料噴射方向に対して側方から燃料噴霧が回り込むようにキャビティを形成している。
【特許文献１】国際出願ＰＣＴ／ＪＰ２００５／００００７１（ＷＯ２００６/０７２９８３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の特許文献１では、スプレーガイド燃焼方式の安定燃焼領域を積極的に拡大させるものではなく、スプレーガイド燃焼方式以外の燃焼方式を併用することで内燃機関としての安定燃焼領域を拡大させているものであり、スプレーガイド燃焼方式の効果を十分に引き出していないものであった。
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、スプレーガイド燃焼方式を採用した筒内噴射型内燃機関において、スプレーガイド燃焼方式の点火時期の制約を小さくして、燃焼安定性を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃料噴射弁からの燃料噴霧の噴射経路近傍に電極部が配置された点火プラグとを備え、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が電極部近傍を通過したときに点火する筒内噴射型内燃機関において、内燃機関のピストンに、燃料噴射弁から電極部近傍に向かって噴射された燃料噴霧を、反対方向から前記電極部に向かうように吸気を導く流動制御手段を備えたことを特徴とする。
【０００６】
また、請求項２の発明では、請求項１において、流動制御手段は、ピストン頂面に形成された窪みであって、縁部が排気弁側で電極部に向かって突出するように形成されたことを特徴とする。
また、請求項３の発明では、請求項２において、流動制御手段は、吸気弁側から排気弁側に向かって幅が拡小するように形成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の請求項１の筒内噴射型内燃機関によれば、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧に対して反対方向から電極部に向かうように吸気が導かれるので、電極部近辺で燃料噴霧と吸気とが衝突し、吸気と燃料との混合が促進されて点火プラグでの燻りが抑制されるとともに、混合気が電極部近傍に留まる期間を長くできるため、点火時期の制約が小さくなり、燃焼安定性を向上させることができる。また燃料噴霧の流速が低下するため電極部での点火放電アークの吹き消え、吹き流しが抑制され、燃焼安定性を更に向上させることができる。
【０００８】
請求項２の筒内噴射型内燃機関によれば、燃料噴射弁から電極部近傍に向かって噴射された燃料噴霧に対して反対方向から電極部に向かうように吸気を導入する流動制御手段を容易に形成することができる。
請求項３の筒内噴射型内燃機関によれば、流動制御手段により吸気弁側から排気弁側に導かれる際に吸気が収束するので、排気弁側での吸気の流速が増加し、電極部に向かう吸気の流速を効率的に上昇させることができるため、吸気流動よりも大幅に流速の速い噴霧に対しても大きな効果を発揮できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係るエンジン１（内燃機関）の概略内部構造を示し、（Ａ）は筒内断面図、（Ｂ）はピストンの上面図である。
図１（Ａ）に示すように、本発明の実施形態であるエンジン１は、スプレーガイド燃焼方式を採用した多気筒の筒内燃料噴射型エンジンであり、そのシリンダヘッド２には、燃焼室３に臨んで燃料噴射弁４と点火プラグ５とが気筒毎に設けられている。
【００１０】
エンジン１のシリンダヘッド２の下面は略中央部の稜線２ａから両側方に向けて夫々下方に傾斜しており、ペントルーフ型燃焼室が形成されている。シリンダヘッド２の下面の一方の斜面６ａには吸気ポート７が、他方の斜面６ｂには排気ポート８が形成されている。吸気ポート７には吸気弁９が、排気ポート８には排気弁１０が設けられ、これらの吸気弁９及び排気弁１０は、シリンダヘッド２上の図示しない動弁機構によりクランク軸の回転に同期して開閉駆動される。
【００１１】
燃料噴射弁４はシリンダヘッド２の稜線２ａより若干吸気弁９側で上端を僅かに外方に傾斜させて立設するように配置される一方、点火プラグ５はシリンダヘッド２の稜線２ａ上で立設するように配置されている。そして、燃焼室３内において燃料噴射弁４の下端の噴射口４ａと点火プラグ５の電極部５ａとは互いに近接しており、噴射口４ａから噴射された燃料噴霧が電極部５ａの近傍を通過するように構成されている。
【００１２】
燃料噴射弁４はＥＣＵ２０と電気的に接続されている。また、点火プラグ５は、点火コイル１１を介してＥＣＵ２０と電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、エンジン１の回転速度を検出する回転速度センサ２１、スロットル開度を検出するスロットルセンサ２２、アクセル操作量を検出するアクセルポジションセンサ２３等のセンサ類とも電気的に接続されており、これらのセンサ類からの情報に基づき、燃料噴射弁４による燃料噴射量や燃料噴射時期及び点火プラグ５による点火時期等を制御する。
【００１３】
エンジン１のピストン３０の頂面３１には、中央から吸気弁９側に偏ってキャビティ３２（流動制御手段）が形成されている。キャビティ３２は、図１（Ｂ）に示すように上方から見て扇状の窪みであって、その縁部３３の一部である円弧部３３ａが頂面３１の吸気弁９側の外周近傍に位置する一方、縁部３３の一部である中心角部３３ｂが頂面３１の中央から若干排気弁１０側で点火プラグ５の略下方に位置するように形成されている。
【００１４】
図２は、キャビティ３２の縁部３３の形状を示す断面図である。
図２に示すように、キャビティ３２の縁部３３は、中心角部３３ｂで上方に、点火プラグ５の電極部５ａに向かって突出するように形成されている。また、ピストン３０の頂面３１は排気弁１０側で外周から中心角部３３ｂに向かって斜め上方に傾斜している。
図３は、燃焼室３内での吸気の流動状況を示す説明図であり、（Ａ）はピストン３０が上死点位置直前にある、スプレーガイド燃焼の代表的な点火時期（＝燃料噴射中または燃料噴射直後）に相当する場合、（Ｂ）はピストン３０が下死点位置にある場合を示す。なお、図中において、燃焼室３内の指示線の向きで吸気の流動方向が表わされるとともに、濃淡で流速が表され、濃部が流速大、淡部が流速小であることを示す。
【００１５】
本実施形態では、上記のようにキャビティ３２を形成することで、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、吸気ポート７から流入した吸気の一部Ｆaaは、円弧部３３ａ側からキャビティ３２内に流入し、キャビティ３２の底面に沿って中心角部３３ｂに向かって導かれる。そして、この吸気は中心角部３３ｂから電極部５ａ近傍に向かって上方に流動する。この流動は、上死点直前の点火時期まで保存され、このように吸気が流動しているときに燃料噴射弁４から燃料噴霧が噴射されると、電極部５ａ近傍で吸気と燃料噴霧とが衝突し、吸気と燃料との混合が促進される。これにより、点火プラグ５での燻りが抑制される。また、電極部５ａ付近で吸気と燃料噴霧とが衝突することで、電極部５ａ近傍での燃料噴霧の流速が低下するので、本実施形態のように燃料噴射弁４と点火プラグ５とが近接して配置され燃料噴射弁４から電極部５ａに向けて燃料が噴射されるエンジン１でも、燃料噴射弁４からの燃料噴射による電極部５ａでの点火放電アークの吹き消え、吹き流しが抑制され、点火安定性を向上させることができる。したがって、点火プラグ５による点火エネルギを低下させることができるので、点火コイル１１を低出力のものにできるとともに、点火プラグ５の寿命を増加させることができる。
【００１６】
また、同図（Ｂ）に示すように、吸気ポート７から排気弁１０側に流入した吸気Ｆabは、ピストン３０の排気弁１０側の頂面３１に沿って中心角部３３ｂに向かって斜め上方に導かれるので、吸気弁９側での吸気Ｆaaと排気弁１０側での吸気Ｆabとの干渉を抑えつつ吸気を電極部５ａにスムーズに導くことができる。
更に、キャビティ３２は扇型に形成され、円弧部３３ａから中心角部３３ｂに向かって、即ち吸気が流入する吸気弁９側から排出する排気弁１０側に向かって幅が縮小するように形成されているので、キャビティ３２を通過する吸気が収束されて中心角部３３ｂでの流速が上昇する。したがって、キャビティ３２から電極部５ａに向かって流れる吸気の流速を効率的に上昇させることができ、吸気流動よりも大幅に流速の速い噴霧に対しても大きな効果を発揮できる。
【００１７】
図４は、燃料噴射時に電極部５ａにおける燃料噴霧の局所流速及び局所空燃比の推移を示すグラフである。なお、図中実線は従来のスプレーガイド燃焼方式のエンジン、点線は本実施形態を示す。この従来のスプレーガイド燃焼方式のエンジンでは、キャビティ３２がピストン３０の頂面３１の略中央部に形成され、その縁部３２は上方に突出していない。
【００１８】
本実施形態におけるエンジン１では、ピストン３０の頂面３１に上記のようなキャビティ３２を形成することで、図中点線で示すように、電極部５ａでの燃料噴霧の流速が低下し、点火放電アークの吹消限界より低くなるため、点火安定性が向上する。また、電極部５ａ付近で燃料噴霧が滞留することで、燃料噴射後の電極部５ａでの空燃比の希薄化が抑制されて希薄側点火限界より高くなる期間が延長される。これら２つの作用により、本実施形態では、点火位置での燃料噴霧の流速が点火放電アークの吹消限界より低く、かつ点火位置での空燃比が希薄側点火限界より高い状態を必要とする点火可能期間を、従来のスプレーガイド燃焼方式のエンジンに対して大幅に拡大させることができ、点火時期の制約が小さくなる
図５は、安定燃焼領域となる噴射時期及び点火時期を示すグラフである。
【００１９】
上記のように、本実施形態では電極部５ａに燃料噴霧が滞留し易くなることに加え、点火安定性が向上することから、図５に示すように、従来のスプレーガイド燃焼方式のエンジンと比較して、安定燃焼領域が拡大する。したがって、噴射時期及び点火時期の設定自由度が広がるとともに、燃料噴射弁４の経年変化や製造誤差あるいは外乱に対する変動等に強い燃焼系を構築することができる。
【００２０】
なお、吸気ポート７の形状に工夫を加えたり、タンブルコントロールバルブを用いたりして、燃焼室３内の吸気の流動を積極的に発生させるエンジン１に本発明を適用してもよく、このようなエンジンでは、キャビティ３２による吸気の流速が高められるので、より効果的に電極部５ａでの燃料噴霧の流速を低下させることができる。
また、本実施形態では流動制御手段としてキャビティを用いて説明したが、燃料噴霧に対して反対方向から前記電極部に向かうように吸気を流動させるものであれば、突起や堰のようなものでもよい。更に本実施形態では燃焼室の上方に燃料噴射弁４を設けているが、燃焼室の側壁に設けているものでも良い。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る筒内燃料噴射型エンジンの概略構成図であり、（Ａ）は筒内断面図、（Ｂ）はピストンの上面図である。
【図２】キャビティの縁部の形状を示す断面図である。
【図３】吸気の燃焼室内での流動状況を示す説明図であり、（Ａ）は上死点位置直前、（Ｂ）は下死点位置での流動状況を示す。
【図４】燃料噴射時に電極部における燃料噴霧の局所流速及び局所空燃比の推移を示すグラフである。
【図５】安定燃焼領域となる噴射時期及び点火時期を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２２】
１  エンジン
３  燃焼室
４  燃料噴射弁
５  点火プラグ
５ａ  電極部
３０  ピストン
３２  キャビティ
【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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