JP3726435B2 - 筒内直接噴射式火花点火エンジン - Google Patents
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- Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
- Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて吸気系の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
点火プラグの近傍に燃料を集める混合気の成層化をはかるため、シリンダ内にインジェクタ（燃料噴射弁）を臨ませ、シリンダ内に直接に燃料を噴射するようにした筒内直接噴射式火花点火エンジンがある。
【０００３】
従来の筒内直接噴射式火花点火エンジンとして、例えば図５に示すようなものがある（特開平６−８１６５１号公報、参照）。
【０００４】
これについて説明すると、インジェクタ６は燃焼室天井壁２０の側部からシリンダ１４内に臨み、ピストン１の冠部３０に窪むキャビティ３５に向けて燃料を噴射するようになっている。
【０００５】
吸気ポート２１がシリンダ１４に沿って直立して形成されている。直立した吸気ポート２１からシリンダ１４内に流入した吸気は、図中矢印で示すように、シリンダ１４に沿って下降した後、ピストン冠部３０に沿って旋回する逆タンブルが生起される。圧縮行程にインジェクタ６から燃料が噴射される運転状態では、キャビティ３５上において逆タンブルと共に旋回する燃料噴霧は、キャビティ３５に沿って点火プラグ４に向けて上昇する。これにより、濃混合気が点火プラグ４の近傍に集められる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の筒内直接噴射式火花点火エンジンにあっては、直立した吸気ポート２１がシリンダヘッド９の上部に貫通して設けられる構造のため、インテークマニホールドをシリンダヘッド９の上部に接続する必要があり、エンジンの全高が大きくなるという問題点が考えられる。
【０００７】
また、運転条件によらず常にシリンダ１４に逆タンブルが生起されるため、吸気行程にインジェクタ６から燃料が噴射される運転状態では、燃料と空気の混合が十分に行われず、シリンダ１４内に均質な混合気をつくることが難しいという問題点が考えられる。
【０００８】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、筒内直接噴射式火花点火エンジンに適した吸気通路構造を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、上方から見た平面図において、上流側から下流側に向けて間隔が次第に拡がるＶ字形に延び、１つのシリンダ内に吸気を導入する２つの吸気ポートと、吸気ポートをエンジン回転に同期して開閉する吸気バルブと、シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタと、シリンダ内の混合気に点火する点火プラグとを備える筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、前記吸気ポートを吸気流に順タンブルを生起する形状とし、各吸気ポートに接続し、お互いの間隔が下流側から上流側にかけて次第に拡がるように形成され、出口が吸気ポート側のシリンダ壁に対向するように傾斜して吸気流に逆タンブルを生起する２つの副通路と、運転条件に応じて副通路に分流する吸気量を調節する流量調節手段とを備えるものとした。
【００１０】
請求項２に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１に記載の発明において、前記吸気ポートを吸気ポートと反対側のシリンダ壁に対向するように傾斜させるものとした。
【００１１】
請求項３に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１または２に記載の発明において、前記流量調節手段として吸気ポートの副通路に対する接続部より上流側を開閉するコントロールバルブを備え、インジェクタの燃料噴射時期を吸気行程とする運転状態でコントロールバルブを開弁させ、インジェクタの燃料噴射時期を圧縮行程とする運転状態でコントロールバルブを閉弁させる構成とした。
【００１２】
請求項４に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１から３のいずれか一つに記載の発明において、前記１つのシリンダ内に吸気を導入する２つの吸気ポートとを備えるものとした。
【００１３】
請求項５に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１から４のいずれか一つに記載の発明において、前記副通路の出口を吸気ポートの内壁面側からドリル加工により形成するものとした。
【００１４】
請求項６に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１から５のいずれか一つに記載の発明において、前記副通路の出口の断面積を吸気ポートのスロート部の断面積の略１／４に形成するものとした。
【００１５】
【発明の作用および効果】
請求項１に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、流量調節手段を介して吸気の大部分が副通路を通って吸気ポートからシリンダ内に流入すると、この吸気流は吸気ポートの直下に位置するシリンダ壁に沿って下降した後にピストン冠部へと進む逆タンブルを生起する。これにより、圧縮行程でインジェクタから燃焼室に噴射される燃料は逆タンブルと共に旋回し、吸気ポート側のシリンダ壁に沿って一旦下降するため、点火プラグに液状燃料が直接的に付着することを回避して失火を起こすことを防止でき、ピストンが上死点に近づくのにしたがって、濃混合気を点火プラグの近傍に集める混合気の成層化がはかれるとともに、逆タンブルのガス流動により火炎の伝播が促され、燃費の低減がはかれる。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。
【００１６】
流量調節手段を介して吸気の大部分が副通路を通らずに吸気ポートからシリンダ内に流入すると、この吸気流は吸気ポートに対向するシリンダ壁に沿って下降した後にピストン冠部へと進む順タンブルを生起する。これにより、吸気行程で噴射される燃料噴霧は、シリンダ内に生起される順タンブルのガス流動により均質混合気をつくる。また、吸気通路の断面積が副通路によって絞られることがなく、エンジンの吸気充填効率を高められ、出力性能の向上がはかれる。
【００１７】
また、吸気ポートを従来装置のように直立させず、エンジンの高さを小さくすることができる。
【００１８】
さらに、副通路の出口を吸気ポート側のシリンダ壁に対向するように傾斜させることにより、副通路を通って吸気ポートからシリンダ内に流入する吸気流は、吸気ポートの直下に位置するシリンダ壁に沿って下降した後にピストン冠部へと進む逆タンブルを生起する。
さらにまた、吸気の大部分が２つの副通路を通って２つの吸気ポートからシリンダ内に流入する運転状態で、吸気流は各吸気ポートの直下に位置するシリンダ壁に沿って下降した後にピストン冠部へと進む逆タンブルを生起する。
【００１９】
請求項２に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、吸気ポートを吸気ポートと反対側のシリンダ壁に対向するように傾斜させることにより、副通路を通らずに吸気ポートからシリンダ内に流入する吸気流は吸気ポートに対向するシリンダ壁に沿って下降した後にピストン冠部へと進む順タンブルを生起する。
【００２０】
また、吸気ポートがシリンダ壁に対して大きく傾斜して設けられる構造のため、シリンダヘッドの上部を貫通する直立形の吸気ポートを備える従来装置に比べて、エンジンの高さを小さくすることができる。
【００２１】
請求項３に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、例えば希薄空燃比で運転される成層燃焼域にて、ピストンが上昇する圧縮行程でインジェクタから燃料が噴射される運転条件では、コントロールバルブが吸気ポートを遮蔽するポジションに保持される。これにより、吸気の大部分が副通路を通って吸気ポートからシリンダ内に流入する。この吸気流は、吸気ポートの直下に位置するシリンダ壁に沿って下降した後にピストン冠部へと進む逆タンブルを生起する。これにより、圧縮行程でインジェクタから燃焼室に噴射される燃料は逆タンブルと共に旋回し、ピストンが上死点に近づくのにしたがって、濃混合気を点火プラグの近傍に集める混合気の成層化がはかれるとともに、逆タンブルのガス流動により火炎の伝播が促される。この結果、燃焼性が確保される空燃比のリーン側限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。
【００２２】
例えば理論空燃比で運転される均質燃焼域にて、ピストンが下降する吸気行程でインジェクタからシリンダ内に燃料が噴射される運転条件では、コントロールバルブが吸気ポートを遮蔽しないポジションに保持される。これにより、吸気の大部分が副通路を通らずに吸気ポートからシリンダ内に流入し、吸気ポートに対向するシリンダ壁に沿って下降した後にピストン冠部へと進む順タンブルを生起する。これにより、吸気行程で噴射される燃料噴霧は、シリンダ内に生起される順タンブルにより空気との混合が促され、混合気の均質化がはかれるとともに、順タンブルのガス流動により火炎の伝播が促される。この結果、燃焼性が確保される空燃比のリッチ側限界値を拡大し、出力性能の向上がはかれる。
【００２４】
請求項４に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、吸気の大部分が副通路を通らずに２つの吸気ポートからシリンダ内に流入する運転状態で、この吸気流は各吸気ポートに対向するシリンダ壁に沿って下降した後にピストン冠部へと進む順タンブルを生起する。吸気通路の断面積が２つの吸気ポートによって確保されることにより、エンジンの吸気充填効率を高められ、出力性能の向上がはかれる。
【００２５】
請求項５に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、副通路の出口が吸気ポートの内壁面側からドリル加工により形成されることにより、副通路の出口を吸気バルブとバルブシートの間隙を通して吸気ポート側のシリンダ壁に対向させることが可能となる。これにより、副通路を通過した吸気流は、吸気ポートから吸気バルブとバルブシートの間隙を通ってシリンダ内に流入し、各吸気ポートの直下に位置するシリンダ壁に沿って下降した後にピストン冠部へと進み、逆タンブルの勢力を高められる。この結果、燃焼性が確保される空燃比のリーン側限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。
【００２６】
請求項６に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、副通路の出口の断面積を吸気ポートのスロート部の断面積の略１／４に形成することにより、副通路を通過する吸気流の速度を高めて、逆タンブルの勢力を高められる。この結果、燃焼性が確保される空燃比のリーン側限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２８】
図１、図２に示すように、ペントルーフ型に傾斜する燃焼室天井壁２０には２つの吸気ポート２１と図示しない２つの排気ポートが互いに対向して開口している。燃焼室天井壁２０は、各吸気ポート２１が開口する吸気ポート側傾斜面２５と、各排気ポートが開口する排気ポート側傾斜面２６によって構成される。
【００２９】
燃焼室天井壁２０の中央部からシリンダ１４内に臨む点火プラグ４が設けられる。燃焼室天井壁２０には点火プラグ４を挟むようにして２本の吸気バルブ７と２本の排気バルブが互いに対向して設けられる。
【００３０】
燃焼室天井壁２０の側部からシリンダ１４内に臨むインジェクタ６が設けられる。インジェクタ６には図示しない燃料ポンプから吐出する燃料がプレッシャレギュレータを介して調圧された後に導かれる。インジェクタ６が開弁するのに伴ってその噴口からシリンダ１４内に燃料が噴射される。
【００３１】
インジェクタ６はその開弁時期と開弁期間（噴射パルス幅）がコントロールユニットにより運転状態に応じて制御される。コントロールユニットは、エンジンの負荷および回転数が所定値以下の成層燃焼域で、シリンダ１４に供給される混合気の空燃比をストイキより希薄側に調節する。エンジンの負荷または回転数が所定値を超えて上昇する均質燃焼域で、シリンダ１４に供給される混合気の空燃比をストイキまたはリッチ側に調節する。
【００３２】
インジェクタ６が開弁するのに伴ってシリンダ１４内に噴射される燃料は、各吸気バルブ７が開かれるのに伴って吸気ポート２１から吸入される空気と混合する。シリンダ１４内に形成された混合気はピストン１で圧縮された状態で点火プラグ４を介して燃料が着火燃焼する。燃焼したガスはピストン１を下降させてクランクシャフトを介して回転力を取り出した後、ピストン１が上昇する排気行程中に排気バルブが開かれるのに伴って各排気ポートから排出される。これらの各行程が連続して繰り返される。
【００３３】
インジェクタ６の開弁時期である燃料噴射時期は、予め設定されたマップに基づき、エンジンの負荷および回転数が所定値以下の成層燃焼域でピストン１が上昇する圧縮行程の後半に設定され、エンジンの負荷または回転数が所定値を超えて上昇する均質燃焼域でピストン１が下降する吸気行程に設定されている。
【００３４】
インジェクタ６は各吸気バルブ７の傘部７ａの側方で、かつ各傘部７ａの間からシリンダ１４内に臨んでいる。インジェクタ６はその噴口の中心線Ｏ6がピストン１の冠部３０を指向するように水平線（シリンダ１４の中心線Ｃに対して直交する線）Ｌに対して所定角度θ6だけ下向きに傾斜して取付けられる。これにより、インジェクタ６の噴口から噴射される燃料噴霧はピストン１の冠部３０に向けて放射状に拡散する。
【００３５】
ピストン１の冠部３０には凹状に窪むキャビティ３５が形成される。キャビティ３５はピストン冠部３０の中央部から吸気ポート側傾斜面２５の下方に配置される。
【００３６】
キャビティ３５には点火プラグ４に向けて傾斜するスロープ３６が形成される。インジェクタ６から噴射された燃料噴霧は、後述するようにシリンダ１４内に生起される逆タンブルと共に旋回すると、スロープ３６に沿って上昇することにより、濃混合気が点火プラグ４の近傍に集められる。
【００３７】
ピストン冠部３０にはペントルーフ状の燃焼室天井壁２０に沿って傾斜するように隆起した凸部３７が形成される。
【００３８】
ピストン冠部３０の外周部３８は燃焼室天井壁２０の外周部に平行に対峙する平面状に形成される。これにより、ピストン１が上死点近傍に達するときにピストン冠部３０と燃焼室天井壁２０の間で圧縮する空気に燃焼室３の中央部に向かうスキッシュを生起する。
【００３９】
各吸気ポート２１は、その通路中心線Ｏ21が各排気ポート側傾斜面２６に連接するシリンダ１４に対向するように、水平線Ｌに対して所定角度θ21だけ下向きに傾斜して取付けられる。これにより、各吸気ポート２１からシリンダ１４内に流入する吸気を、排気ポート側傾斜面２６およびシリンダ１４に沿って下降させた後、ピストン冠部３０に沿って上昇させる順タンブルＴを生起する。
【００４０】
各吸気ポート２１の途中には各副通路３１がそれぞれ接続される。各副通路３１は各吸気ポート２１を画成する内壁面の上部に開口している。
【００４１】
副通路３１は、ドリル加工によって形成される通孔３２と通孔（出口）３３によって画成される。なお、副通路３１はシリンダヘッドの鋳造時に中子を用いて形成してもよい。
【００４２】
副通路３１の上流側を画成する通孔３２は、シリンダヘッドの側壁部からドリル加工によって形成される。図２に示すように、各通孔３２はその間隔が下流側から上流側にかけて次第に拡がるように配置され、図２においてＶ字形に延びる吸気ポート２１と干渉しないようになっている。
【００４３】
副通路３１の出口側通孔３３は、吸気ポート２１の内壁面からドリル加工によって形成される。出口側通孔３３によって直線状に延びる副通路３１は、その通路中心線Ｏ31が吸気ポート側傾斜面２５に連接するシリンダ１４に対向するように、シリンダ１４の中心線Ｃに対して傾斜している。副通路３１の通路中心線Ｏ31は、開弁した吸気バルブ７の傘裏部７ａとバルブシート２７の間隙を介してシリンダ１４に到達している。これにより、各副通路３１から吸気ポート２１を経てシリンダ１４内に流入する吸気を、吸気ポート側傾斜面２５に連接するシリンダ１４に沿って下降させた後、ピストン冠部３０に沿って上昇させる逆タンブルを生起する。
【００４４】
出口側通孔３３の開口径が吸気ポート２１のスロート部２１ａの開口径の略１／２に設定され、出口側通孔３３の断面積は吸気ポート２１のスロート部２１ａの断面積の略１／４になっている。
【００４５】
運転条件に応じて各副通路３１に分流する吸気量を調節する流量調節手段として、吸気ポート２１にはバタフライ式のコントロールバルブ４０が介装される。コントロールバルブ４０が吸気ポート２１を遮蔽することにより、吸気の略全量が図中矢印で示すように副通路３１を通ってシリンダ１４内に吸入され、シリンダ１４内に逆タンブルを生起する。
【００４６】
円盤状をしたコントロールバルブ４０は、吸気ポート２１にシャフト４１を介して回転可能に収装される。シャフト４１は図示しないアクチュエータを介して回動する。アクチュエータの作動を制御するコントロールユニットは、エンジンの負荷および回転数が所定値以下の成層燃焼域にて、コントロールバルブ４０を吸気ポート２１を閉塞するポジションに駆動して、吸気の大部分を副通路３１を通してシリンダ１４内に逆タンブルを生起する。一方、エンジンの負荷または回転数が所定値を超えて上昇する均質燃焼域に、コントロールバルブ４０を吸気ポート２１を開通するポジションに駆動して、シリンダ１４内に順タンブルを生起する。
【００４７】
図１において、１５は各吸気ポート２１に接続して吸気を導くインテークマニホールドであり、１７はインテークマニホールド１５の上流側の吸気通路５に介装されるスロットルバルブである。バタフライ式のスロットルバルブ１７は図示しないアクチュエータを介して回動する。アクチュエータの作動を制御するコントロールユニットは、エンジンの負荷および回転数に応じてスロットルバルブ１７の開度を調節する。
【００４８】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００４９】
成層燃焼域では、図１に示すように、コントロールバルブ４０が吸気ポート２１の途中を閉塞するポジションに保持される。これにより、各吸気バルブ７が開かれるのに伴って吸気ポート２１を通ってシリンダ１４内に流入する吸気の大部分を、図４に矢印で示すように、副通路３１を通し、シリンダ１４に沿って下降させた後、ピストン冠部３０に沿って上昇させる逆タンブルを生起する。
【００５０】
副通路３１の出口側通孔３３は、開弁した吸気バルブ７の傘裏部７ａとバルブシート２７の間隙を介してシリンダ１４に対向する構造のため、、副通路３１を通過した吸気流は、吸気ポート２１から吸気バルブ７とバルブシート２７の間隙を通ってシリンダ１４内に流入し、各吸気ポート１２の直下に位置するシリンダ壁に沿って下降した後にピストン冠部３０へと進み、逆タンブルの勢力を高められる。
【００５１】
副通路３１の出口側通孔３３の断面積を吸気ポート２１のスロート部２１ａの断面積の略１／４に形成することにより、副通路３１を通過する吸気流の速度を高めて、逆タンブルの勢力を高められる。
【００５２】
こうしてシリンダ１４内に逆タンブルが生起されることにより、図３に示すように、圧縮行程の後半にインジェクタ６からシリンダ１４内に噴射された燃料はキャビティ３５上において逆タンブルと共に旋回し、キャビティ３５に沿って旋回する過程でピストン１によって加熱され、その微粒化および気化が進み、スロープ３６に沿って燃焼室３の中央部へと上昇する。これにより、ピストン１が上死点に近づくのにしたがって、濃混合気を点火プラグ４の点火部の近傍に集める混合気の成層化がはかれるとともに、逆タンブルのガス流動により火炎の伝播が促される。この結果、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。
【００５３】
また、インジェクタ６からシリンダ１４内に噴射された燃料は、この逆タンブルによって一旦下降するため、点火プラグ４の点火部に液状燃料が直接的に付着することを回避し、失火を起こすことを防止できる。
【００５４】
一方、エンジン負荷または回転数が上昇した均質燃焼域では、コントロールバルブ４０が吸気ポート２１を開通させるポジションに保持される。これにより、吸気通路５の断面積が副通路３１によって絞られることがなく、エンジンの吸気充填効率を高められるとともに、シリンダ１４内に生起されるガス流動により均質混合気をつくり、出力性能の向上がはかれる。
【００５５】
このとき、各吸気バルブ７が開かれるのに伴って吸気ポート２１を通ってシリンダ１４内に流入する吸気を、燃焼室天井壁２０の排気ポート側傾斜面２６に連接するシリンダ１４に沿って下降させた後、ピストン冠部３０に沿って上昇させる順タンブルを生起する。
【００５６】
こうしてシリンダ１４内に順タンブルが生起されることにより、吸気行程にインジェクタ６から燃焼室３に噴射される燃料噴霧は、シリンダ１４内で順タンブルＴとともに旋回して空気との混合が促され、ピストン１が上昇して点火時期を迎えるまでに燃焼室３に均質な混合気が形成される。均質燃焼域では、燃焼室３に供給される混合気の空燃比がストイキまたはリッチ側に調節されるため、均質な混合気に対して着火が確実に行われるとともに、火炎の伝播が促され、出力性能の向上がはかれる。
【００５７】
各吸気ポート２１はシリンダ１４の中心線に対して大きく傾斜して設けられる構造のため、インテークマニホールド１５の取付け位置が高くなることを抑えられ、エンジンのコンパクト化がはかれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示すエンジンの断面図。
【図２】同じくエンジンの概略平面図。
【図３】同じく圧縮行程における燃料の分布状態を示すエンジンの断面図。
【図４】同じく逆タンブルの生成状態を３次元シミュレーションで求めた流動場を示す図。
【図５】従来例を示すエンジンの断面図。
【符号の説明】
１ ピストン
３ 燃焼室
４ 点火プラグ
５ 吸気通路
６ インジェクタ
７ 吸気バルブ
１４ シリンダ
１５ インテークマニホールド
１７ スロットルバルブ
２０ 燃焼室天井壁
２１ 吸気ポート
２５ 傾斜面
２６ 傾斜面
３０ ピストン冠部
３１ 副通路
３３ 出口側通孔
３５ キャビティ
４０ コントロールバルブ
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて吸気系の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
点火プラグの近傍に燃料を集める混合気の成層化をはかるため、シリンダ内にインジェクタ（燃料噴射弁）を臨ませ、シリンダ内に直接に燃料を噴射するようにした筒内直接噴射式火花点火エンジンがある。
【０００３】
従来の筒内直接噴射式火花点火エンジンとして、例えば図５に示すようなものがある（特開平６−８１６５１号公報、参照）。
【０００４】
これについて説明すると、インジェクタ６は燃焼室天井壁２０の側部からシリンダ１４内に臨み、ピストン１の冠部３０に窪むキャビティ３５に向けて燃料を噴射するようになっている。
【０００５】
吸気ポート２１がシリンダ１４に沿って直立して形成されている。直立した吸気ポート２１からシリンダ１４内に流入した吸気は、図中矢印で示すように、シリンダ１４に沿って下降した後、ピストン冠部３０に沿って旋回する逆タンブルが生起される。圧縮行程にインジェクタ６から燃料が噴射される運転状態では、キャビティ３５上において逆タンブルと共に旋回する燃料噴霧は、キャビティ３５に沿って点火プラグ４に向けて上昇する。これにより、濃混合気が点火プラグ４の近傍に集められる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の筒内直接噴射式火花点火エンジンにあっては、直立した吸気ポート２１がシリンダヘッド９の上部に貫通して設けられる構造のため、インテークマニホールドをシリンダヘッド９の上部に接続する必要があり、エンジンの全高が大きくなるという問題点が考えられる。
【０００７】
また、運転条件によらず常にシリンダ１４に逆タンブルが生起されるため、吸気行程にインジェクタ６から燃料が噴射される運転状態では、燃料と空気の混合が十分に行われず、シリンダ１４内に均質な混合気をつくることが難しいという問題点が考えられる。
【０００８】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、筒内直接噴射式火花点火エンジンに適した吸気通路構造を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、上方から見た平面図において、上流側から下流側に向けて間隔が次第に拡がるＶ字形に延び、１つのシリンダ内に吸気を導入する２つの吸気ポートと、吸気ポートをエンジン回転に同期して開閉する吸気バルブと、シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタと、シリンダ内の混合気に点火する点火プラグとを備える筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、前記吸気ポートを吸気流に順タンブルを生起する形状とし、各吸気ポートに接続し、お互いの間隔が下流側から上流側にかけて次第に拡がるように形成され、出口が吸気ポート側のシリンダ壁に対向するように傾斜して吸気流に逆タンブルを生起する２つの副通路と、運転条件に応じて副通路に分流する吸気量を調節する流量調節手段とを備えるものとした。
【００１０】
請求項２に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１に記載の発明において、前記吸気ポートを吸気ポートと反対側のシリンダ壁に対向するように傾斜させるものとした。
【００１１】
請求項３に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１または２に記載の発明において、前記流量調節手段として吸気ポートの副通路に対する接続部より上流側を開閉するコントロールバルブを備え、インジェクタの燃料噴射時期を吸気行程とする運転状態でコントロールバルブを開弁させ、インジェクタの燃料噴射時期を圧縮行程とする運転状態でコントロールバルブを閉弁させる構成とした。
【００１２】
請求項４に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１から３のいずれか一つに記載の発明において、前記１つのシリンダ内に吸気を導入する２つの吸気ポートとを備えるものとした。
【００１３】
請求項５に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１から４のいずれか一つに記載の発明において、前記副通路の出口を吸気ポートの内壁面側からドリル加工により形成するものとした。
【００１４】
請求項６に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１から５のいずれか一つに記載の発明において、前記副通路の出口の断面積を吸気ポートのスロート部の断面積の略１／４に形成するものとした。
【００１５】
【発明の作用および効果】
請求項１に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、流量調節手段を介して吸気の大部分が副通路を通って吸気ポートからシリンダ内に流入すると、この吸気流は吸気ポートの直下に位置するシリンダ壁に沿って下降した後にピストン冠部へと進む逆タンブルを生起する。これにより、圧縮行程でインジェクタから燃焼室に噴射される燃料は逆タンブルと共に旋回し、吸気ポート側のシリンダ壁に沿って一旦下降するため、点火プラグに液状燃料が直接的に付着することを回避して失火を起こすことを防止でき、ピストンが上死点に近づくのにしたがって、濃混合気を点火プラグの近傍に集める混合気の成層化がはかれるとともに、逆タンブルのガス流動により火炎の伝播が促され、燃費の低減がはかれる。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。
【００１６】
流量調節手段を介して吸気の大部分が副通路を通らずに吸気ポートからシリンダ内に流入すると、この吸気流は吸気ポートに対向するシリンダ壁に沿って下降した後にピストン冠部へと進む順タンブルを生起する。これにより、吸気行程で噴射される燃料噴霧は、シリンダ内に生起される順タンブルのガス流動により均質混合気をつくる。また、吸気通路の断面積が副通路によって絞られることがなく、エンジンの吸気充填効率を高められ、出力性能の向上がはかれる。
【００１７】
また、吸気ポートを従来装置のように直立させず、エンジンの高さを小さくすることができる。
【００１８】
さらに、副通路の出口を吸気ポート側のシリンダ壁に対向するように傾斜させることにより、副通路を通って吸気ポートからシリンダ内に流入する吸気流は、吸気ポートの直下に位置するシリンダ壁に沿って下降した後にピストン冠部へと進む逆タンブルを生起する。
さらにまた、吸気の大部分が２つの副通路を通って２つの吸気ポートからシリンダ内に流入する運転状態で、吸気流は各吸気ポートの直下に位置するシリンダ壁に沿って下降した後にピストン冠部へと進む逆タンブルを生起する。
【００１９】
請求項２に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、吸気ポートを吸気ポートと反対側のシリンダ壁に対向するように傾斜させることにより、副通路を通らずに吸気ポートからシリンダ内に流入する吸気流は吸気ポートに対向するシリンダ壁に沿って下降した後にピストン冠部へと進む順タンブルを生起する。
【００２０】
また、吸気ポートがシリンダ壁に対して大きく傾斜して設けられる構造のため、シリンダヘッドの上部を貫通する直立形の吸気ポートを備える従来装置に比べて、エンジンの高さを小さくすることができる。
【００２１】
請求項３に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、例えば希薄空燃比で運転される成層燃焼域にて、ピストンが上昇する圧縮行程でインジェクタから燃料が噴射される運転条件では、コントロールバルブが吸気ポートを遮蔽するポジションに保持される。これにより、吸気の大部分が副通路を通って吸気ポートからシリンダ内に流入する。この吸気流は、吸気ポートの直下に位置するシリンダ壁に沿って下降した後にピストン冠部へと進む逆タンブルを生起する。これにより、圧縮行程でインジェクタから燃焼室に噴射される燃料は逆タンブルと共に旋回し、ピストンが上死点に近づくのにしたがって、濃混合気を点火プラグの近傍に集める混合気の成層化がはかれるとともに、逆タンブルのガス流動により火炎の伝播が促される。この結果、燃焼性が確保される空燃比のリーン側限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。
【００２２】
例えば理論空燃比で運転される均質燃焼域にて、ピストンが下降する吸気行程でインジェクタからシリンダ内に燃料が噴射される運転条件では、コントロールバルブが吸気ポートを遮蔽しないポジションに保持される。これにより、吸気の大部分が副通路を通らずに吸気ポートからシリンダ内に流入し、吸気ポートに対向するシリンダ壁に沿って下降した後にピストン冠部へと進む順タンブルを生起する。これにより、吸気行程で噴射される燃料噴霧は、シリンダ内に生起される順タンブルにより空気との混合が促され、混合気の均質化がはかれるとともに、順タンブルのガス流動により火炎の伝播が促される。この結果、燃焼性が確保される空燃比のリッチ側限界値を拡大し、出力性能の向上がはかれる。
【００２４】
請求項４に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、吸気の大部分が副通路を通らずに２つの吸気ポートからシリンダ内に流入する運転状態で、この吸気流は各吸気ポートに対向するシリンダ壁に沿って下降した後にピストン冠部へと進む順タンブルを生起する。吸気通路の断面積が２つの吸気ポートによって確保されることにより、エンジンの吸気充填効率を高められ、出力性能の向上がはかれる。
【００２５】
請求項５に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、副通路の出口が吸気ポートの内壁面側からドリル加工により形成されることにより、副通路の出口を吸気バルブとバルブシートの間隙を通して吸気ポート側のシリンダ壁に対向させることが可能となる。これにより、副通路を通過した吸気流は、吸気ポートから吸気バルブとバルブシートの間隙を通ってシリンダ内に流入し、各吸気ポートの直下に位置するシリンダ壁に沿って下降した後にピストン冠部へと進み、逆タンブルの勢力を高められる。この結果、燃焼性が確保される空燃比のリーン側限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。
【００２６】
請求項６に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、副通路の出口の断面積を吸気ポートのスロート部の断面積の略１／４に形成することにより、副通路を通過する吸気流の速度を高めて、逆タンブルの勢力を高められる。この結果、燃焼性が確保される空燃比のリーン側限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２８】
図１、図２に示すように、ペントルーフ型に傾斜する燃焼室天井壁２０には２つの吸気ポート２１と図示しない２つの排気ポートが互いに対向して開口している。燃焼室天井壁２０は、各吸気ポート２１が開口する吸気ポート側傾斜面２５と、各排気ポートが開口する排気ポート側傾斜面２６によって構成される。
【００２９】
燃焼室天井壁２０の中央部からシリンダ１４内に臨む点火プラグ４が設けられる。燃焼室天井壁２０には点火プラグ４を挟むようにして２本の吸気バルブ７と２本の排気バルブが互いに対向して設けられる。
【００３０】
燃焼室天井壁２０の側部からシリンダ１４内に臨むインジェクタ６が設けられる。インジェクタ６には図示しない燃料ポンプから吐出する燃料がプレッシャレギュレータを介して調圧された後に導かれる。インジェクタ６が開弁するのに伴ってその噴口からシリンダ１４内に燃料が噴射される。
【００３１】
インジェクタ６はその開弁時期と開弁期間（噴射パルス幅）がコントロールユニットにより運転状態に応じて制御される。コントロールユニットは、エンジンの負荷および回転数が所定値以下の成層燃焼域で、シリンダ１４に供給される混合気の空燃比をストイキより希薄側に調節する。エンジンの負荷または回転数が所定値を超えて上昇する均質燃焼域で、シリンダ１４に供給される混合気の空燃比をストイキまたはリッチ側に調節する。
【００３２】
インジェクタ６が開弁するのに伴ってシリンダ１４内に噴射される燃料は、各吸気バルブ７が開かれるのに伴って吸気ポート２１から吸入される空気と混合する。シリンダ１４内に形成された混合気はピストン１で圧縮された状態で点火プラグ４を介して燃料が着火燃焼する。燃焼したガスはピストン１を下降させてクランクシャフトを介して回転力を取り出した後、ピストン１が上昇する排気行程中に排気バルブが開かれるのに伴って各排気ポートから排出される。これらの各行程が連続して繰り返される。
【００３３】
インジェクタ６の開弁時期である燃料噴射時期は、予め設定されたマップに基づき、エンジンの負荷および回転数が所定値以下の成層燃焼域でピストン１が上昇する圧縮行程の後半に設定され、エンジンの負荷または回転数が所定値を超えて上昇する均質燃焼域でピストン１が下降する吸気行程に設定されている。
【００３４】
インジェクタ６は各吸気バルブ７の傘部７ａの側方で、かつ各傘部７ａの間からシリンダ１４内に臨んでいる。インジェクタ６はその噴口の中心線Ｏ6がピストン１の冠部３０を指向するように水平線（シリンダ１４の中心線Ｃに対して直交する線）Ｌに対して所定角度θ6だけ下向きに傾斜して取付けられる。これにより、インジェクタ６の噴口から噴射される燃料噴霧はピストン１の冠部３０に向けて放射状に拡散する。
【００３５】
ピストン１の冠部３０には凹状に窪むキャビティ３５が形成される。キャビティ３５はピストン冠部３０の中央部から吸気ポート側傾斜面２５の下方に配置される。
【００３６】
キャビティ３５には点火プラグ４に向けて傾斜するスロープ３６が形成される。インジェクタ６から噴射された燃料噴霧は、後述するようにシリンダ１４内に生起される逆タンブルと共に旋回すると、スロープ３６に沿って上昇することにより、濃混合気が点火プラグ４の近傍に集められる。
【００３７】
ピストン冠部３０にはペントルーフ状の燃焼室天井壁２０に沿って傾斜するように隆起した凸部３７が形成される。
【００３８】
ピストン冠部３０の外周部３８は燃焼室天井壁２０の外周部に平行に対峙する平面状に形成される。これにより、ピストン１が上死点近傍に達するときにピストン冠部３０と燃焼室天井壁２０の間で圧縮する空気に燃焼室３の中央部に向かうスキッシュを生起する。
【００３９】
各吸気ポート２１は、その通路中心線Ｏ21が各排気ポート側傾斜面２６に連接するシリンダ１４に対向するように、水平線Ｌに対して所定角度θ21だけ下向きに傾斜して取付けられる。これにより、各吸気ポート２１からシリンダ１４内に流入する吸気を、排気ポート側傾斜面２６およびシリンダ１４に沿って下降させた後、ピストン冠部３０に沿って上昇させる順タンブルＴを生起する。
【００４０】
各吸気ポート２１の途中には各副通路３１がそれぞれ接続される。各副通路３１は各吸気ポート２１を画成する内壁面の上部に開口している。
【００４１】
副通路３１は、ドリル加工によって形成される通孔３２と通孔（出口）３３によって画成される。なお、副通路３１はシリンダヘッドの鋳造時に中子を用いて形成してもよい。
【００４２】
副通路３１の上流側を画成する通孔３２は、シリンダヘッドの側壁部からドリル加工によって形成される。図２に示すように、各通孔３２はその間隔が下流側から上流側にかけて次第に拡がるように配置され、図２においてＶ字形に延びる吸気ポート２１と干渉しないようになっている。
【００４３】
副通路３１の出口側通孔３３は、吸気ポート２１の内壁面からドリル加工によって形成される。出口側通孔３３によって直線状に延びる副通路３１は、その通路中心線Ｏ31が吸気ポート側傾斜面２５に連接するシリンダ１４に対向するように、シリンダ１４の中心線Ｃに対して傾斜している。副通路３１の通路中心線Ｏ31は、開弁した吸気バルブ７の傘裏部７ａとバルブシート２７の間隙を介してシリンダ１４に到達している。これにより、各副通路３１から吸気ポート２１を経てシリンダ１４内に流入する吸気を、吸気ポート側傾斜面２５に連接するシリンダ１４に沿って下降させた後、ピストン冠部３０に沿って上昇させる逆タンブルを生起する。
【００４４】
出口側通孔３３の開口径が吸気ポート２１のスロート部２１ａの開口径の略１／２に設定され、出口側通孔３３の断面積は吸気ポート２１のスロート部２１ａの断面積の略１／４になっている。
【００４５】
運転条件に応じて各副通路３１に分流する吸気量を調節する流量調節手段として、吸気ポート２１にはバタフライ式のコントロールバルブ４０が介装される。コントロールバルブ４０が吸気ポート２１を遮蔽することにより、吸気の略全量が図中矢印で示すように副通路３１を通ってシリンダ１４内に吸入され、シリンダ１４内に逆タンブルを生起する。
【００４６】
円盤状をしたコントロールバルブ４０は、吸気ポート２１にシャフト４１を介して回転可能に収装される。シャフト４１は図示しないアクチュエータを介して回動する。アクチュエータの作動を制御するコントロールユニットは、エンジンの負荷および回転数が所定値以下の成層燃焼域にて、コントロールバルブ４０を吸気ポート２１を閉塞するポジションに駆動して、吸気の大部分を副通路３１を通してシリンダ１４内に逆タンブルを生起する。一方、エンジンの負荷または回転数が所定値を超えて上昇する均質燃焼域に、コントロールバルブ４０を吸気ポート２１を開通するポジションに駆動して、シリンダ１４内に順タンブルを生起する。
【００４７】
図１において、１５は各吸気ポート２１に接続して吸気を導くインテークマニホールドであり、１７はインテークマニホールド１５の上流側の吸気通路５に介装されるスロットルバルブである。バタフライ式のスロットルバルブ１７は図示しないアクチュエータを介して回動する。アクチュエータの作動を制御するコントロールユニットは、エンジンの負荷および回転数に応じてスロットルバルブ１７の開度を調節する。
【００４８】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００４９】
成層燃焼域では、図１に示すように、コントロールバルブ４０が吸気ポート２１の途中を閉塞するポジションに保持される。これにより、各吸気バルブ７が開かれるのに伴って吸気ポート２１を通ってシリンダ１４内に流入する吸気の大部分を、図４に矢印で示すように、副通路３１を通し、シリンダ１４に沿って下降させた後、ピストン冠部３０に沿って上昇させる逆タンブルを生起する。
【００５０】
副通路３１の出口側通孔３３は、開弁した吸気バルブ７の傘裏部７ａとバルブシート２７の間隙を介してシリンダ１４に対向する構造のため、、副通路３１を通過した吸気流は、吸気ポート２１から吸気バルブ７とバルブシート２７の間隙を通ってシリンダ１４内に流入し、各吸気ポート１２の直下に位置するシリンダ壁に沿って下降した後にピストン冠部３０へと進み、逆タンブルの勢力を高められる。
【００５１】
副通路３１の出口側通孔３３の断面積を吸気ポート２１のスロート部２１ａの断面積の略１／４に形成することにより、副通路３１を通過する吸気流の速度を高めて、逆タンブルの勢力を高められる。
【００５２】
こうしてシリンダ１４内に逆タンブルが生起されることにより、図３に示すように、圧縮行程の後半にインジェクタ６からシリンダ１４内に噴射された燃料はキャビティ３５上において逆タンブルと共に旋回し、キャビティ３５に沿って旋回する過程でピストン１によって加熱され、その微粒化および気化が進み、スロープ３６に沿って燃焼室３の中央部へと上昇する。これにより、ピストン１が上死点に近づくのにしたがって、濃混合気を点火プラグ４の点火部の近傍に集める混合気の成層化がはかれるとともに、逆タンブルのガス流動により火炎の伝播が促される。この結果、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。
【００５３】
また、インジェクタ６からシリンダ１４内に噴射された燃料は、この逆タンブルによって一旦下降するため、点火プラグ４の点火部に液状燃料が直接的に付着することを回避し、失火を起こすことを防止できる。
【００５４】
一方、エンジン負荷または回転数が上昇した均質燃焼域では、コントロールバルブ４０が吸気ポート２１を開通させるポジションに保持される。これにより、吸気通路５の断面積が副通路３１によって絞られることがなく、エンジンの吸気充填効率を高められるとともに、シリンダ１４内に生起されるガス流動により均質混合気をつくり、出力性能の向上がはかれる。
【００５５】
このとき、各吸気バルブ７が開かれるのに伴って吸気ポート２１を通ってシリンダ１４内に流入する吸気を、燃焼室天井壁２０の排気ポート側傾斜面２６に連接するシリンダ１４に沿って下降させた後、ピストン冠部３０に沿って上昇させる順タンブルを生起する。
【００５６】
こうしてシリンダ１４内に順タンブルが生起されることにより、吸気行程にインジェクタ６から燃焼室３に噴射される燃料噴霧は、シリンダ１４内で順タンブルＴとともに旋回して空気との混合が促され、ピストン１が上昇して点火時期を迎えるまでに燃焼室３に均質な混合気が形成される。均質燃焼域では、燃焼室３に供給される混合気の空燃比がストイキまたはリッチ側に調節されるため、均質な混合気に対して着火が確実に行われるとともに、火炎の伝播が促され、出力性能の向上がはかれる。
【００５７】
各吸気ポート２１はシリンダ１４の中心線に対して大きく傾斜して設けられる構造のため、インテークマニホールド１５の取付け位置が高くなることを抑えられ、エンジンのコンパクト化がはかれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示すエンジンの断面図。
【図２】同じくエンジンの概略平面図。
【図３】同じく圧縮行程における燃料の分布状態を示すエンジンの断面図。
【図４】同じく逆タンブルの生成状態を３次元シミュレーションで求めた流動場を示す図。
【図５】従来例を示すエンジンの断面図。
【符号の説明】
１ ピストン
３ 燃焼室
４ 点火プラグ
５ 吸気通路
６ インジェクタ
７ 吸気バルブ
１４ シリンダ
１５ インテークマニホールド
１７ スロットルバルブ
２０ 燃焼室天井壁
２１ 吸気ポート
２５ 傾斜面
２６ 傾斜面
３０ ピストン冠部
３１ 副通路
３３ 出口側通孔
３５ キャビティ
４０ コントロールバルブ
Claims (6)
- 上方から見た平面図において、上流側から下流側に向けて間隔が次第に拡がるＶ字形に延び、１つのシリンダ内に吸気を導入する２つの吸気ポートと、
吸気ポートをエンジン回転に同期して開閉する吸気バルブと、
シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタと、
シリンダ内の混合気に点火する点火プラグと、
を備える筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、
前記吸気ポートを吸気流に順タンブルを生起する形状とし、
各吸気ポートに接続し、お互いの間隔が下流側から上流側にかけて次第に拡がるように形成され、出口が吸気ポート側のシリンダ壁に対向するように傾斜して吸気流に逆タンブルを生起する２つの副通路と、
運転条件に応じて副通路に分流する吸気量を調節する流量調節手段と、
を備えたことを特徴とする筒内直接噴射式火花点火エンジン。 - 前記吸気ポートを吸気ポートと反対側のシリンダ壁に対向するように傾斜させたことを特徴とする請求項１に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジン。
- 前記流量調節手段として吸気ポートの副通路に対する接続部より上流側を開閉するコントロールバルブを備え、
インジェクタの燃料噴射時期を吸気行程とする運転状態でコントロールバルブを開弁させ、
インジェクタの燃料噴射時期を圧縮行程とする運転状態でコントロールバルブを閉弁させる
構成としたことを特徴とする請求項１に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジン。 - 前記１つのシリンダ内に吸気を導入する２つの吸気ポートと、
を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の直接筒内噴射式火花点火エンジン。 - 前記副通路の出口を吸気ポートの内壁面側からドリル加工により形成したことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の直接筒内噴射式火花点火エンジン。
- 前記副通路の出口の断面積を吸気ポートのスロート部の断面積の略１／４に形成したことを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の直接筒内噴射式火花点火エンジン。
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