JPH0730693B2

JPH0730693B2 - 内燃機関の燃料噴射方法

Info

Publication number: JPH0730693B2
Application number: JP61266751A
Authority: JP
Inventors: 繁大西
Original assignee: 株式会社日本クリンエンジン研究所
Priority date: 1986-11-11
Filing date: 1986-11-11
Publication date: 1995-04-10
Anticipated expiration: 2010-04-10
Also published as: JPS63120815A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は内燃機関の燃料噴射方法に関する。

〔従来の技術〕

従来より直噴式ディーゼル機関においてはピストン頂面
上にキャビティを形成し、シリンダヘッドに多孔噴射ノ
ズルを配置し、噴射ノズルの各噴口からキャビティ内に
向け四方に燃料を噴射するようにしている。このような
ディーゼル機関では通常燃料の噴射が開始されても燃料
はただちに着火されず、一定の着火遅れ期間を経た後に
着火される。ところがこのようなディーゼル機関では燃
料が各噴孔から噴射されるや否や微粒化せしめられて霧
化するので着火遅れ期間が経過するまでには噴射ノズル
周りのキャビティ内に多量の燃料噴霧が形成されること
になる。しかしながらこのように着火遅れ期間が経過す
るまでに多量の燃料噴霧が噴射ノズル周りのキャビティ
内に形成されると着火遅れ期間が経過して着火が行われ
たときに噴射ノズル周りに形成されている多量の燃料噴
霧が爆発的に一気に燃焼し、その結果燃焼騒音が発生す
ると共に多量のNOxが発生することになる。

このような燃焼騒音およびNOxの発生を抑制するには噴
射ノズル周りのキャビティ内に形成される燃料噴霧が少
ないうちに着火させればよく、そのためには着火遅れ期
間を短かくすればよいことになる。そこで着火遅れ期間
を短かくするためにキャビティ周辺部に向けて燃料を噴
射するための従来からの複数の噴孔に加えて更に副噴孔
を設け、キャビティの中心部に突起部を形成すると共に
この副噴孔から噴射された燃料を突起部の上端面に衝突
させ、この衝突作用により微粒化した燃料を加熱手段に
より加熱して燃料を早期に着火させ、それによって燃焼
騒音およびNOxの発生を抑制するようにしたディーゼル
機関が公知である（特開昭59−79031号公報参照）。

このディーゼル機関では燃料の衝突による微粒化作用を
利用することによって着火遅れ期間を短縮しうるものと
考えられる。しかしながらこのディーゼル機関でも各噴
孔からキャビティ周辺部に向けて噴射された燃料は噴射
されるや否や微粒化せしめられて霧化するために着火遅
れ期間が短縮されたとしても着火遅れ期間が経過するま
でに既にかなりの量の燃料噴霧が形成されており、斯く
して急激な圧力上昇が生じるために燃焼騒音が発生し、
多量のNOxが発生するものと考えられる。

一方、燃料の微粒化を促進し、噴射燃料と空気との混合
を促進するためにキャビティの中央部に衝突壁部材を配
置し、燃料噴射弁から噴射された燃料を衝突壁部材の上
壁面に衝突させるようにしたディーゼル機関が公知であ
る（特開昭59−211716号公報参照）。このディーゼル機
関では燃料噴射弁からの燃料噴射時に一段階目の燃料の
微粒化を行い、噴射燃料を衝突壁部材の上壁面に衝突さ
せることによって二段階目の燃料の微粒化を行うように
している。

またこのディーゼル機関と同様な構造を有するディーゼ
ル機関が特開昭52−40209号公報に記載されている。こ
の公報にはどのような形で燃料噴射弁から燃料が噴射さ
れるかについては何ら説明されていないがこの公報の図
面から判断するとこのディーゼル機関においても燃料噴
射時に一段階目の燃料の微粒化が行われているものと考
えられる。即ち、この公報の図面に示されているように
このディーゼル機関では燃料噴射弁から噴射された燃料
が円錐状に広がっている。ところが噴射燃料が微粒化さ
れて液滴とならない限り噴射燃料が円錐状に広がること
がないのでこのディーゼル機関においても燃料噴射弁か
ら噴射された燃料が噴射されるや否や微粒化されてお
り、従って上述したようにこのディーゼル機関において
も燃料噴射時に一段階目の燃料の微粒化が行われている
ことになる。

しかしながらこのように燃料が燃料噴射弁から噴射され
たときに一段階目の燃料微粒化作用を行わせると着火遅
れ期間が経過したときに燃料噴射弁周りのキャビティ内
には多量の燃料噴霧が形成されており、従ってこの多量
の燃料噴霧が一気に爆発的に燃焼するために燃焼騒音が
発生し、多量のNOxが発生することになる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このように従来のディーゼル機関では噴射直後からいか
にして早く燃料を微粒化するかに焦点が絞られており、
このようにいかにして早く燃料を微粒化するかという方
向に焦点を絞っている限り、燃焼騒音の発生を抑制し、
NOxの発生量を低減するのは困難である。同様な問題は
ガソリンやメタノールを用いた内燃機関でも生じ、噴射
直後から燃料の微粒化を促進した場合には熱効率を向上
させるべく圧縮比を高くすると混合気が一気に爆発的に
燃焼するノッキングを生じることになる。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するために本発明によれば、燃焼室の
頂面中央部に配置した燃料噴射弁からピストン頂面上に
形成したキャビティ内に燃料を噴射するようにした内燃
機関の燃料噴射方法において、燃料噴射弁から燃料をキ
ャビティの周辺部に向けて分散噴射させることなくほと
んど広がることがない液柱状の液状燃料流の形でキャビ
ティの中央部のみに向けて噴射し、次いでこの液柱状の
液状燃料流をキャビティ内の中間高さ位置においてキャ
ビティの半径方向に延びる衝突壁面の中央部に衝突さ
せ、次いで衝突壁面の中央部に衝突させた液状燃料を衝
突壁面に沿ってキャビティの周辺方向に飛散させるよう
にしている。

〔実施例〕

第１図および第２図を参照すると、１はシリンダブロッ
ク、２はシリンダブロック１内で往復動するピストン、
３はシリンダブロック１上に固締されたシリンダヘッ
ド、４はシリンダヘッド３の平坦内壁面とピストン２間
に形成された燃焼室、５は一対の吸気弁、６は一対の吸
気通路、７は一対の排気弁、８は排気通路を夫々示す。
ピストン２の平坦な頂面の中央部には円形状をなすキャ
ビティ９が形成される。このキャビティ９は円筒状をな
す周壁面9aとほぼ平坦に形成された底壁面9bとを有す
る。キャビティ底壁面9bの中心部にはシリンダヘッド３
に向けて突出する突出部10が形成される。この突出部10
はピストン２の頂面とほぼ平行をなす円形状の衝突面10
aと、下方に向けて断面積が増大する円錐状の周壁面10b
とを具備する。第１図に示す実施例では衝突面10aはシ
リンダ軸線上に位置する。また、この衝突面10aは第３
図（ａ）に示すように平坦面から形成することもできる
し、第３図（ｂ）に示すように中心部が凹んだ凹状面か
ら形成することもできる。

シリンダヘッド３の内壁面の中央部には燃料噴射弁11が
取付けられる。この燃料噴射弁11は単一の噴孔12と、噴
孔12の開閉制御を行なうニードル13と、ニードル13を作
動するピエゾ圧電素子14とを具備する。ピエゾ圧電素子
14は電圧を印加すると長手方向に伸長し、この伸長作用
によりニードル13の開閉制御を行なう。無論従来より用
いられているソレノイドを用いた燃料噴射弁、或いは燃
料噴射ポンプの吐出圧によって機械的にニードル13の開
閉制御が行なわれる燃料噴射弁を用いることもできる。
燃料噴射弁11のピエゾ圧電素子は電子制御ユニット20に
接続され、従って燃料噴射弁11からの燃料噴射作用は電
子制御ユニット20の出力信号によって行なわれる。更に
シリンダヘッド３には点火栓15が取付けられ、点火栓15
の放電間隙16は第１図に示すようにピストン２が上死点
位置にあるときに突出部10の周壁面10bに極く近接する
ように配置される。

電子制御ユニット20はディジタルコンピュータからな
り、双方向性バス21により相互に接続されたROM（リー
ドオンリメモリ）22、RAM（ランダムアクセスメモリ）2
3、CPU（マイクロプロセッサ）24、入力ポート25および
出力ポート26とを具備する。入力ポート25にはクランク
角センサ27および回転数センサ28が接続される。クラン
ク角センサ27は例えば１番気筒が上死点位置にあること
を示す出力信号を発生し、従ってクランク角センサ27の
出力信号からいずれの気筒に燃料を噴射すべきか否かが
判別される。回転数センサ28は例えばクランクシャフト
が30度回転する毎に出力パルスを発生する。従ってこの
回転数センサ28の出力信号から現在のクランク角を計算
できると共に機関回転数を計算することができる。ま
た、アクセルペダル29には負荷センサ30が接続され、こ
の負荷センサ30はAD変換器31を介して入力ポート25に接
続される。この負荷センサ30はアクセルペダル29の踏込
み量に比例した出力電圧を発生する。一方、出力ポート
26は駆動回路32を介して燃料噴射弁11のピエゾ圧電素子
14に接続され、更に出力ポート26は駆動回路33およびイ
グナイタ34を介して点火栓15に接続される。

次に第４図を参照して燃料噴射および点火処理について
説明する。第４図を参照するとまず始めにステップ40に
おいて回転数センサ28の出力パルスから計算された機関
回転数Ｎ、および機関負荷Ｐを表わす負荷センサ30の出
力信号が読み込まれる。次いでステップ41では例えば機
関負荷Ｐから燃料噴射量が計算される。次いでステップ
42では機関回転数Ｎおよび機関負荷Ｐから燃料噴射開始
時期が算出される。機関回転数Ｎ、負荷Ｐと燃料噴射開
始時期Ｉとの関係は第５図に示すようなマップの形で予
めROM22内に記憶されており、従ってステップ42ではマ
ップに記憶された関係から燃料噴射開始時期が算出され
る。次いでステップ43ではステップ41で計算された燃料
噴射量と燃料噴射開始時期Ｉから燃料噴射完了時期が計
算される。次いでステップ44では機関回転数Ｎおよび負
荷Ｐから点火時期が計算される。機関回転数Ｎ、負荷Ｐ
と点火時期θとの関係は第６図に示すようなマップの形
で予めROM22内に記憶されており、従ってステップ44で
はマップに記憶された関係から点火時期θが算出され
る。次いでステップ45では燃料噴射開始時期Ｉ、燃料噴
射完了時期および点火時期θを表わすデータが出力ポー
ト26に出力され、このデータに基いて燃料噴射作用およ
び点火作用が行なわれる。

第７図は燃料としてメタノールを使用した場合の燃料噴
射時期の一例を示しており、第８図は燃料としてメタノ
ールを使用した場合の点火時期の一例を示している。第
７図においてA₀は高負荷運転時における燃料噴射開始時
期を示しており、A₁は高負荷運転時における燃料噴射完
了時期を示している。従って第７図における矢印Ｘは高
負荷運転時における燃料噴射期間を示している。また、
第７図においてB₀は低負荷運転時における燃料噴射開始
時期を示しており、B₁は低負荷運転時における燃料噴射
完了時期を示している。従って第７図において矢印Ｙは
低負荷運転時における燃料噴射期間を示している。一
方、第８図においてＣは高負荷運転時における点火時期
を示しており、Ｄは低負荷運転時における点火時期を示
している。

第７図からわかるように機関高負荷運転時には燃料噴射
開始時期が上死点前100度程度となる。前述したように
第７図に示す燃料噴射時期は一例であって例えばメタノ
ールを使用した場合においても高負荷運転時における燃
料噴射開始時期は上死点前100度よりも若干遅せること
もできるし、又早めることもできる。また、メタノール
以外のガソリン等の燃料を用いた場合には高負荷運転時
における燃料噴射開始時期が上死点前180度程度になる
こともある。しかしながら従来よりメタノールを用いた
場合に採用されている燃料噴射開始時期に比べて燃料噴
射開始時期がかなり早められていることは事実である。
また、第８図に示す点火時期も一例であってメタノール
を使用した場合であっても、或いはメタノール以外の燃
料を使用した場合にもそれに応じて点火時期が異なって
くる。

本発明における内燃機関は圧縮比を12:0以上とすること
ができ、第１図に示す内燃機関の圧縮比は16.2である。
本発明ではこのように高い圧縮比であってもノッキング
を生じることなく良好な燃焼を得ることができる。次に
第９図および第10図を参照して本発明による混合気の形
成方法および点火方法について説明する。

第９図は燃料噴射弁11の噴孔12から燃料の噴射が開始さ
れた瞬間を示している。噴孔12は衝突面10aに指向され
ており、従って噴孔12から噴射された大部分の燃料は衝
突面10aに衝突する。即ち、噴孔12は単孔ノズルである
ので噴孔12から噴射された大部分の燃料はほとんど広が
ることなく液柱状の液状燃料流の形で衝突面10aに向か
う。このように噴射燃料の大部分は液状であるために貫
徹力が大きく、従って噴孔12と衝突面10aの距離がかな
り離れていても大部分の噴射燃料は衝突面10aに達す
る。衝突面10aに衝突した燃料は微粒化されて半径方向
に飛散するが噴射燃料は下向きの慣性力をもっているた
めに半径方向に飛散した燃料は矢印Ｆで示されるように
突出部10の周壁面10bに沿ってキャビティ９の底壁面9b
の方に向かう。従って突出部10の周りには燃料密度の高
い領域が形成される。次いで突出部10周りの燃料はキャ
ビディ９内を半径方向に拡散していくためにキャビティ
９内には突出部10の周壁面10aからキャビティ９の周壁
面9aに向けて次第に薄くなる混合気が形成される。ピス
トン２が上昇している間、キャビティ９内の混合気或い
は空気は下方に押し付けられるためにキャビティ９内か
ら上方に流出しない。従ってキャビティ９内には混合気
層が形成され、ピストン２の頂面上方の燃焼室４内は空
気のみとなって成層化が行なわれることになる。機関高
負荷運転時には燃料噴射開始時期が早いためにピストン
２が上死点近傍に達するまでにキャビティ９内における
燃料の気化および拡散が十分に進行し、従ってキャビテ
ィ９内は混合気で満される。これに対して機関低負荷運
転時には燃料噴射開始時期が遅くなるためにピストン２
が上死点近傍に達するまでにキャビティ９内における燃
料の拡散が十分に進行せず、斯くしてこの場合には突出
部10の周りに濃い混合気層が形成され、この濃い混合気
層の周りはドーナツ状をなす空気層となる。しかしなが
らいずれにしても突出部10の周壁面10bの周りには他の
領域よりも濃い混合気領域が形成される。

第９図は点火栓15による点火作用が行なわれる瞬間を示
している。前述したように突出部10の周壁面10bの周り
には破線Ｇで示すようにリング状の濃い混合気領域が形
成されており、点火栓15の放電間隙16は点火時にこの濃
い混合気領域内に位置するように配置されている。点火
栓15により領域Ｇの濃い混合気が着火せしめられると火
災は即座に濃い混合気領域全体に広がり、次いで火災が
キャビティ９内を半径方向に広がってキャビティ９内の
混合気を燃焼せしめる。このように火災がキャビティ９
の中心部から周囲に広がるので火災伝播距離が短かく、
従って燃料速度が速くなるために熱効率が向上し、HC,C
Oが低減せしめられることになる。また、前述したよう
にピストン２の頂面上方の燃焼室４内は空気のみとなっ
ているので第10図に示すようにピストン２が上死点近傍
に達したときにはピストン２の頂面周辺部とシリンダヘ
ッド３の平坦内壁面間の燃焼室偶部Ｋは空気のみとなっ
ている。ノッキングは燃焼が開始されて燃焼室４内の圧
力が上昇したときに燃焼室偶部Ｋの混合気が圧縮されて
自己着火することにより生ずるものであるが本発明では
燃焼室偶部Ｋには空気のみしか存在しないために燃焼室
偶部Ｋにおいて自己着火が生じることがなく、斯くして
ノッキングが発生することがない。従って本発明では圧
縮比を高めることができ、斯くして機関の効率を大巾に
増大せしめることができる。第11図は第１図に示す内燃
機関においてメタノールを使用した場合の熱効率を示し
ている。従来のメタノールを使用した内燃機関に比べて
熱効率が大巾に増大していることがわかる。

なお、本発明による内燃機関では上述したように機関の
負荷にかかわらずに突出部10の周壁面10bの周りには濃
い混合気領域が形成され、この濃い混合気領域の混合気
が点火栓15により着火せしめるので機関負荷にかかわら
ずに安定した混合気の着火と、それに続く安定した燃焼
を確保することができる。従って失火することのない安
定したアイドリング運転を確保することができると共に
熱効率の向上とHCの低減を図ることができる。

また、本発明における内燃機関では吸気通路６には絞り
弁が設けられておらず、燃料噴射量によって負荷制御が
行なわれる。このように絞り弁が設けられていないこと
から部分負荷運転時における熱効率を向上することがで
きる。

第12図から第17図および第10図は種々の変形例を示して
おり、以下第12図から順に各変形例について説明する。

第12図に示す実施例では点火栓15に代えてグロープラグ
17が用いられている。このグロープラグ17に点火時に濃
い混合気領域Ｇ内に位置するように配置される。即ち、
グロープラグ17の先端はピストン２が上死点に達したと
きに突出部10の周壁面10bの極く近傍に位置するように
配置される。この場合にはピストン２が上昇して濃い混
合気領域Ｇがグロープラグ17の先端部と接触した後に濃
い混合気が着火せしめられる。

第13図に示す実施例では突出部10がキャビティ９の底壁
部9bからわずかばかり突出した突起10cと、この突起10c
上に固定された衝突部材18とにより構成されている。こ
の衝突部材18はピストン２とは別の耐摩耗性の材料から
形成されており、しかも衝突部材18の衝突面10aが高温
となるように断熱構造を有している。メタノールは気化
潜熱が大きく、従ってメタノールを使用した場合に衝突
面10aの温度が低下しすぎないように衝突部材18を断熱
構造としている。衝突面10aの温度を高めることによっ
て衝突面10aに衝突した燃料の霧化を促進することがで
きる。

第14図に示す実施例ではキャビティ９の周壁面9cが多角
形状に形成されている。一方、第15図に示す実施例では
衝突面10aがシリンダ軸線に対して偏心して配置されて
おり、この衝突面10aに向けて燃料が噴射される。これ
らの実施例ではキャビティ９の周壁面9a,9cまでの火災
の伝播距離が火災の伝播方向によって異なり、従って燃
焼時間を制御することができる。

第16図に示す実施例では吸気通路６内に吸気制御弁19が
設けられる。第17図は吸気制御弁19の開度θと機関負荷
Ｐとの関係を示している。第17図に示されるように吸気
制御弁19は機関負荷が小さいとき、又は無負荷のとき半
開状態とされ、機関負荷が大きくなるとただちに全開す
る。本発明では突出部10の周りに濃い混合気領域Ｇ（第
９図）を形成することが必要であるが燃焼室４内にあま
り強い旋回流或いは乱れを発生せしめると特に噴射燃料
量の少ない機関低負荷運転時に突出部10の周りに濃い混
合気領域Ｇを形成するのが困難となる場合がある。この
ような場合には機関低負荷運転時に吸気制御弁19を半開
程度まで閉弁させることによって吸入空気量を減少さ
せ、あまり強力な旋回流或いは乱れを発生させないこと
が好ましい。

第10図は衝突面10aにカーボンが付着するのを抑制する
ようにした実施例を示す。燃料としてメタノールのよう
な気化潜熱の大きな燃料を用いた場合には衝突面10aが
冷却されるために衝突面10a上にカーボンが付着しずら
いのであるがガソリンのように比較的気化潜熱の小さな
燃料を用いた場合には衝突面10aが十分に冷却されない
ために衝突面10aにカーボンが付着しやすくなる。衝突
面10aにカーボンが付着すると衝突した燃料が四方に飛
散しずらくなり、衝突面10aの周りのみが過濃となって
しまう。従って衝突面10aにカーボンが付着するのをで
きるだけ阻止する必要がある。第10図に示す実施例では
ピストン２が上死点に達したときに衝突面10aと燃料噴
射弁11の先端面との間隙Ｓが小さくなる、例えば2mm以
下となるように燃料噴射弁11が配置される。このように
間隙Ｓを2mm程度よりも小さくするとピストン２が上死
点に達したときには間隙Ｓがクエンチ距離以下となる。
その結果、間隙Ｓ内に火炎が伝播しないので衝突面10a
上にカーボンが付着するのを抑制することができる。ま
た、第10図に示す実施例では突出部10内に空間35が形成
されている。この空間35内に潤滑油を吹き当てることに
よって衝突面10aを冷却し、それによって衝突面10aにカ
ーボンが付着するのをより一層防止することができる。

本発明による内燃機関ではメタノールはもとより、ガソ
リン、他のアルコール類、LPGガス、天然ガスおよびこ
れらの混合燃料等の種々の燃料を使用することができ
る。特に本発明では実質的に全噴射燃料がキャビティ９
内に送り込まれるのでシリンダ内壁面に付着した潤滑油
が噴射燃料により希釈されることがなく、従ってこれら
の多種燃料を用いた場合であってもシリンダ内壁面に錆
が発生するのを阻止することができる。

また、燃料噴射弁11として単孔ノズルを使用できるので
噴射12が目詰まりを起こすこともなく、また燃料噴射圧
もそれほど高くする必要もない。従って機関の信頼性お
よび耐久性が向上するばかりでなく、製造コストを低減
することもできる。

なお、燃料としてメタノールを使用した場合には排気ガ
ス中にパティキュレートが全く存在せず、HC,COはもと
よりNOxも極めて少ないことが判明している。

〔発明の効果〕

燃料噴射弁から燃料をキャビティの周辺部に向けて分散
噴射させることなくほとんど広がることがない液柱状の
液状燃料流の形でキャビティの中央部のみに向けて噴射
するようにしているので燃料噴射弁から噴射された燃料
は衝突壁面に衝突するまでほとんど霧化しない。従って
従来のような爆発的な燃焼は発生せず、爆発的に燃焼に
より燃焼騒音が発生したり、多量のNOxが発生したり、
ノッキングが発生したりするのを阻止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による内燃機関の側面断面図、第２図は
シリンダヘッドの平面断面図、第３図は突出部の種々の
形状を示す側面断面図、第４図は燃料噴射および点火処
理を実行するためのフローチャート、第５図は燃料噴射
開始時期を示す図、第６図は点火時期を示す図、第７図
は燃料噴射時期を示す線図、第８図は点火時期を示す線
図、第９図は点火における内燃機関の側面断面図、第10
図は別の実施例を示す内燃機関の側面断面図、第11図は
熱効率を示す線図、第12図は別の実施例を示す内燃機関
の側面断面図、第13図は更に別の実施例の側面断面図、
第14図は別の実施例を示すピストンの平面図、第15図は
更に別の実施例を示すピストンの平面図、第16図は別の
実施例を示すシリンダヘッドの平面断面図、第17図は吸
気制御弁の開度変化を示す線図である。２……ピストン、３……シリンダヘッド、４……燃焼室、９……キャビティ、 10……突出部、10a……衝突面、 11……燃料噴射弁、12……噴孔、 15……点火栓。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼室の頂面中央部に配置した燃料噴射弁
からピストン頂面上に形成したキャビティ内に燃料を噴
射するようにした内燃機関の燃料噴射方法において、燃
料噴射弁から燃料をキャビティの周辺部に向けて分散噴
射させることなくほとんど広がることがない液柱状の液
状燃料流の形でキャビティの中央部のみに向けて噴射
し、次いでこの液柱状の液状燃料流をキャビティ内の中
間高さ位置においてキャビティの半径方向に延びる衝突
壁面の中央部に衝突させ、次いで衝突壁面の中央部に衝
突させた液状燃料を衝突壁面に沿ってキャビティの周辺
方向に飛散させるようにした内燃機関の燃料噴射方法。