JP3694960B2 - 直接筒内噴射式火花点火エンジン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直接筒内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】
点火栓の近傍に燃料を集める混合気の成層化をはかるため、気筒内にインジェクタ（燃料噴射弁）を臨ませ、気筒内に直接に燃料を噴射するようにした直接筒内噴射式火花点火エンジンがある。
【０００３】
従来の直接筒内噴射式火花点火エンジンとして、例えば特開平６−２０７５４２号公報に開示しているように、吸気ポートをシリンダ壁に沿って直立させるものがある。
【０００４】
直立した吸気ポートから気筒内に流入した吸気は、シリンダ壁に沿って下降した後、ピストン頂面に沿って旋回する逆タンブルを生起する。
【０００５】
インジェクタから気筒内に噴射された燃料は、この逆タンブルによって旋回する過程で、その微粒化および気化が進み、点火栓に液状燃料が付着することを防止し、失火を無くして安定した燃焼性が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の直接筒内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がシリンダヘッド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、シリンダヘッドに直立する吸気ポートを備えるため、シリンダヘッドの燃焼室壁のまわりに形成されるウォータジャケットの配置自由度が小さくなる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、直接筒内噴射式火花点火エンジンに適した吸気ポートの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に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンは、気筒内に吸気を導入する吸気ポートと、気筒内に燃料を噴射するインジェクタと、気筒内の混合気に点火する点火栓と、気筒内から排気を排出する排気ポートと、を備える直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、前記吸気ポートとして共通の気筒に開口する順タンブルポートと逆タンブルポートを備え、順タンブルポートを排気ポート側のシリンダ壁に対向するように傾斜させて形成し、前記順タンブルポートから気筒内に導入される吸気量を調節するタンブル調節手段を備え、逆タンブルポートの下流端部を吸気ポート側のシリンダ壁に沿って直立するように湾曲させて形成する。
【００１１】
請求項２に記載の直接筒内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、前記逆タンブルポートの下流端部を画成するポート壁に吸気バルブの傘裏部のうち排気ポートに近接する部分を覆うように突出するマスキング部が形成する。
【００１２】
請求項３に記載の直接筒内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、前記逆タンブルポートを順タンブルポートより先に開弁させる構成とする。
【００１３】
請求項４に記載の直接筒内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、ピストンの頂面に凹状に窪むキャビティを形成し、キャビティを逆タンブルポートに対向するようにシリンダ中心線に対してオフセットして形成する。
【００１４】
請求項５に記載の直接筒内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、順タンブルポートの吸気バルブを逆タンブルポートの吸気バルブより先に開弁して先に閉弁する構成とし、インジェクタから噴射された燃料噴霧が最大リフト位置にある順タンブルポートの吸気バルブの下方に拡がるように配置し、インジェクタの燃料噴射終了時期を逆タンブルポートの吸気バルブが開弁する前に終了するように設定する。
【００１５】
【作用】
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、順タンブルポートを通って気筒内に流入する吸気流は、気筒内で順タンブルポートに対向した燃焼室天井壁を経てシリンダ壁に沿って下降した後にピストン頂面へと進んで旋回する順タンブルを生起する。
【００１６】
一方、逆タンブルポートを通って気筒内に流入する吸気流は、吸気ポート側のシリンダ壁に沿って下降した後にピストン頂面を経て燃焼室天井壁へと進んで旋回する逆タンブルを生起する。
【００１７】
順タンプルポートと逆タンプルポートそれぞれ通って気筒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。
【００１８】
逆タンブルポートは、その途中で大きく湾曲する構造のため、その下流端部をシリンダ壁に沿って直立させても、その上流端をシリンダヘッドの側壁部に開口させて、インテークマニホールドをシリンダヘッドの側壁部に接続することができる。
【００１９】
この結果、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とともに、シリンダヘッドの燃焼室壁のまわりに形成されるウォータジャケットの配置自由度を大きくすることができる。
【００２０】
また、タンブル調節手段により順タンブルポートが閉じられる運転状態で、インジェクタから気筒内に噴射された燃料は、この逆タンブルによって吸気ポート側のシリンダ壁に沿って一旦下降するため、点火栓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。
【００２１】
タンブル調節手段により順タンブルポートが開かれる運転状態で、吸気は順タンブルポートと逆タンブルポートに分流して気筒内に吸入されるため、ポート面積が拡大してエンジンの吸気充填効率を高められるとともに、順タンプルポートと逆タンプルポートそれぞれ通って気筒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。
【００２２】
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、逆タンブルポートを流れる吸気流は、このマスキング部を介して吸気バルブの傘裏部の排気ポートに近接する部分を迂回して流れることにより、逆タンブルポートを通って気筒内に流入する吸気流に与えるシリンダ壁に沿って下降する速度成分を強め、気筒内に生起される逆タンブルの勢力が強化される。
【００２３】
こうして気筒内に強い逆タンブルが生起されることにより、インジェクタから気筒内に噴射された燃料を点火栓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。
【００２４】
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、ピストンが下降する吸入行程の初期では逆タンブルポートのみが開通するため、逆タンブルポートを通って気筒内に生起される逆タンブルの勢力を強化することができる。
【００２５】
こうして気筒内に強い逆タンブルが生起されることにより、インジェクタから気筒内に噴射された燃料を点火栓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。
【００２６】
請求項４に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、逆タンブルポートを通って気筒内に流入する吸気流は、シリンダ壁に沿ってピストンの方に下降した後、逆タンブルポートに対向したキャビティに沿って燃焼室の中央部へと上昇して旋回する逆タンブルを生起する。インジェクタから気筒内に噴射された燃料をこの逆タンブルによって点火栓の近傍に集められる。こうして、混合気の成層化がはかれるため、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。
【００２７】
請求項５に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、順タンブルポートの吸気バルブを逆タンブルポートの吸気バルブより先に開弁して先に閉弁する。
【００２８】
インジェクタから噴射された燃料噴霧は、最大リフト位置にある順タンブルポートの吸気バルブの下方に拡がり、逆タンブルポートの吸気バルブが開弁する前に終了する構成により、燃料噴霧が各吸気バルブに接することが抑えられ、燃料と空気の混合がはかれる。
【００２９】
【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。
【００３０】
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５と２つの排気ポート２３が互いに対向して開口している。
【００３１】
図１にも示すように、燃焼室３の中央部に点火栓４が臨み、点火栓４を挟むようにして２つの吸気バルブ７と２つの排気バルブ（図示せず）が互いに対向して設けられる。図１において、Ｏ8は排気弁の中心線を示している。
【００３２】
燃焼室天井壁２０の側部から燃焼室３に臨むインジェクタ６が設けられる。インジェクタ６は２つの吸気バルブ７の側方で、かつ両吸気バルブ７の中間に位置して燃焼室３に臨んでいる。
【００３３】
インジェクタ６はピストン１の頂面２１に対して傾斜するよう配置される。インジェクタ６の噴口から噴射される燃料噴霧の中心線は水平線に対して所定角度で下向きに傾斜するように配置される。
【００３４】
ピストン１が上昇する圧縮行程で、インジェクタ６の噴口から噴射された燃料噴霧は、その大部分が各吸気バルブ７の間を通ってピストン頂面２１の方に向かうとともに、その一部が各吸気バルブ７の傘裏部に当たるようになっている。
【００３５】
吸気ポート５は、その上流端がシリンダヘッド１９の側壁部に開口し、その途中から中央隔壁２７を介して順タンブルポート１１と逆タンブルポート１２にＶ字形に分岐し、各下流端が燃焼室天井壁２０に開口している。
【００３６】
順タンブルポート１１は、その通路中心が図１の正面図上において直線状に延び、各排気ポート２３が開口した側の燃焼室天井壁２０およびシリンダ壁１４に対向している。順タンブルポート１１は逆タンブルポート１２よりシリンダ中心線に対して大きく傾斜している。
【００３７】
逆タンブルポート１２は、その通路中心が図１の正面図上において下方に向けて大きく湾曲し、その下流端部が吸気ポート５が開口する側のシリンダ壁１４に沿って直立するように形成される。
【００３８】
ピストン１の頂面２０には円盤状に窪むキャビティ２が形成される。キャビティ２はピストン頂面２０の中央部に開口している。
【００３９】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００４０】
各吸気バルブ７が開かれるのに伴って吸気ポート５から気筒内に空気が吸入される。ピストン１が上昇する圧縮行程中にインジェクタ６が開弁し、燃焼室３に燃料が噴射される。気筒内に吸入された空気がピストンで圧縮された状態で点火栓４を介して燃料を着火燃焼させる。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２３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。
【００４１】
吸気は吸気ポート５において順タンブルポート１１と逆タンブルポート１２に略均等に分流して気筒内に吸入される。
【００４２】
順タンブルポート１１を通って気筒内に流入する吸気流は、図８に破線の矢印で示すように、排気ポート２３側の燃焼室天井壁２０を経てシリンダ壁１４に沿って下降した後にピストン頂面２１上へと進んで旋回する順タンブルを生起する。一方、逆タンブルポート１２を通って気筒内に流入する吸気流は、図８に実線の矢印で示すように、吸気ポート５側のシリンダ壁１４に沿って下降した後に、ピストン１の頂面２０に窪むキャビティ２に沿って燃焼室３の中央部へと上昇して旋回する逆タンブルを生起する。こうして気筒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。
【００４３】
逆タンブルポート１２は、その途中で大きく湾曲する構造のため、その下流端部をシリンダ壁１４に沿って直立させても、その上流端をシリンダヘッド１９の側壁部に開口させて、インテークマニホールド２５をシリンダヘッド１９の側壁部に接続することができる。この結果、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とともに、シリンダヘッドの燃焼室壁のまわりに形成されるウォータジャケットの配置自由度を大きくすることができる。
【００４４】
他の実施形態として、図１、図２に示すような燃焼室構造を持つエンジンにおいて、順タンブルポート１１の吸気バルブ７を逆タンブルポート１２の吸気バルブ７より先に開弁し、先に閉弁する構成としてもよい。
【００４５】
この場合、インジェクタ６の噴口は、クランクシャフトと直交するシリンダ中心線に対してオフセットして、これから噴射された燃料噴霧が、最大リフト位置にある順タンブルポート１１の吸気バルブ７の下方に拡がるように配置する。
【００４６】
そして、インジェクタ６の燃料噴射時期は、燃料噴射を逆タンブルポート１２の吸気バルブ７が開弁する前に終了するように設定される。
【００４７】
以上のように構成され、インジェクタ６から噴射される燃料噴霧が各吸気バルブ７に接することが抑えられ、燃料と空気の混合がはかれる。
【００４８】
次に、図３、図４に示す実施形態について説明する。なお、図１、図２との対応部分には同一符号を付す。
【００４９】
吸気ポート５は、中央隔壁２８を介して順タンブルポート１１と逆タンブルポート１２に独立して画成され、それぞれの上流端がシリンダヘッド１９の側壁部に開口し、それぞれの下流端が燃焼室天井壁２０に開口している。
【００５０】
順タンブルポート１１は、その通路中心が図３の正面図上において直線状に延び、各排気ポート２３が開口した側の燃焼室天井壁２０およびシリンダ壁１４に対向している。順タンブルポート１１は逆タンブルポート１２よりシリンダ中心線に対して大きく傾斜している。
【００５１】
逆タンブルポート１２は、その通路中心が図３の正面図上において下方に向けて大きく湾曲し、その下流端部が吸気ポート５が開口する側のシリンダ壁１４に沿って直立するように形成される。
【００５２】
順タンブルポート１１から気筒内に導入される吸気量を調節するタンブル調節手段として、順タンブルポート１１の入口部を開閉するバタフライ式のコントロールバルブ１５が設けられる。
【００５３】
図３に示すように、円形をしたコントロールバルブ１５は、インテークマニホールド２５に形成された順タンブルポート１１に対する入口部２６にシャフト２７を介して回転可能に収装される。シャフト２７は図示しないアクチュエータを介して回動する。
【００５４】
図示しないコントロールユニットは、所定の低中速・低中負荷域の成層燃焼領域でコントロールバルブ１５を全閉し、所定の高速・高負荷域の均質燃焼領域でコントロールバルブ１５を全開する制御を行う。
【００５５】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００５６】
所定の低中速・低中負荷域の成層燃焼領域でコントロールバルブ１５が全閉すると、吸気の大部分は逆タンブルポート１２を通って気筒内に吸入される。逆タンブルポート１２を通って気筒内に流入する吸気流は、図３に実線の矢印で示すように、シリンダ壁１４に沿ってピストン１の方に下降した後、ピストン１の頂面２０に窪むキャビティ２に沿って燃焼室３の中央部へと上昇して旋回する逆タンブルを生起する。
【００５７】
こうして気筒内に強い逆タンブルが生起されることにより、インジェクタ６から気筒内に噴射された燃料を点火栓４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。
【００５８】
インジェクタ６から気筒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、点火栓４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。すなわち、気筒内に噴射された燃料は、この逆タンブルによってピストン１のキャビティ２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、燃料を点火栓４の近傍に集める混合気の成層化がはかれる
また、コントロールバルブ１５が閉弁する運転状態では、吸気の大部分が逆タンブルポート１２から気筒内に流入することにより吸気流速を高められる。このため、インジェクタ６から噴射された燃料噴霧のうち各吸気バルブ７の傘裏部に付着した燃料は高速吸気流により吹き飛ばされ、燃料と空気の混合がはかれる。
【００５９】
所定の高速・高負荷域の均質燃焼領域でコントロールバルブ１５を全開すると、吸気は順タンブルポート１１と逆タンブルポート１２に略均等に分流して気筒内に吸入される。したがって、ポート面積が拡大してエンジンの吸気充填効率を高められる。
【００６０】
順タンブルポート１１を通って気筒内に流入する吸気流が順タンブルを生起する一方、逆タンブルポート１２を通って気筒内に流入する吸気流が逆タンブルを生起する。こうして気筒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。
【００６１】
次に、図５、図６に示す実施形態について説明する。なお、図１、図２との対応部分には同一符号を付す。
【００６２】
逆タンブルポート１２の下流端部を画成するポート壁に吸気バルブ７の傘裏部のうち排気ポート２３に近接する部分を覆うように突出するマスキング部１７が形成される。
【００６３】
マスキング部１７は、逆タンブルポート１２の下流端部を画成するポート壁から吸気バルブ７の傘裏部の上方に突出し、吸気バルブ７を挟んで吸気ポート５が開口する側のシリンダ壁１４に向けて突出する。
【００６４】
逆タンブルポート１２を流れる吸気流は、図５に実線の矢印で示すように、このマスキング部１７を介して吸気バルブ７の傘裏部の排気ポート２３に近接する部分を迂回することにより、逆タンブルポート１２を通って気筒内に流入する吸気流に与えるシリンダ壁１４に沿って下降する速度成分を強め、逆タンブルの勢力を強化することができる。
【００６５】
さらに他の実施形態として、図７に示すように、逆タンブルポートを開閉する吸気バルブが順タンブルポートを開閉する吸気バルブより先に開弁するとともに、先に閉弁する構成としてもよい。
【００６６】
この場合、ピストンが下降する吸入行程の初期では、吸気が逆タンブルポートのみを通って気筒内に吸入されるため、逆タンブルポートを通って気筒内に生起される逆タンブルの勢力を強化することができる。
【００６７】
こうして気筒内に強い逆タンブルが生起されることにより、インジェクタから気筒内に噴射された燃料を点火栓４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。
【００６８】
次に、図８、図９に示す実施形態について説明する。なお、図１、図２との対応部分には同一符号を付す。
【００６９】
ピストン１の頂面２１に逆タンブルポート１２に対向して窪むキャビティ２が形成される。
【００７０】
キャビティ２は逆タンブルポート１２に対向するようにシリンダ中心線に対してオフセットして形成される。
【００７１】
この場合、逆タンブルポート１２を通って気筒内に流入する吸気流は、図８に実線の矢印で示すように、シリンダ壁１４に沿ってピストン１の方に下降した後、逆タンブルポート１２に対向したキャビティ２に沿って燃焼室３の中央部へと上昇して旋回する逆タンブルを生起する。インジェクタ６から気筒内に噴射された燃料をこの逆タンブルによって点火栓４の近傍に集められる。こうして混合気の成層化がはかられるため、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。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンによれば、順タンプルポートと逆タンプルポートそれぞれ通って気筒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とともに、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とともに、シリンダヘッドの燃焼室壁のまわりに形成されるウォータジャケットの配置自由度を大きくすることができる。また、シリンダヘッドに対して吸気ポートの配置を変更する必要がなく、隔壁を追加することで容易に実施することができる。
【００７３】
また、タンブル調節手段を介して順タンブルポートが閉じられる運転状態で、気筒内に強い逆タンブルが生起されることにより、点火栓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とともに、タンブル調節手段により順タンブルポートが開かれる運転状態で、ポート面積が拡大してエンジンの吸気充填効率を高められるとともに、順タンプルポートと逆タンプルポートそれぞれ通って気筒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。
【００７４】
請求項２に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンによれば、逆タンブルポートを流れる吸気流がマスキング部を介して吸気バルブの傘裏部の排気ポートに近接する部分を迂回して流れることにより、逆タンブルポートを通って気筒内に流入する吸気流に与えるシリンダ壁に沿って下降する速度成分を強め、気筒内に生起される逆タンブルの勢力が強化され、希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００７５】
請求項３に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンによれば、ピストンが下降する吸入行程の初期では逆タンブルポートのみが開通するため、逆タンブルポートを通って気筒内に生起される逆タンブルの勢力がされ、希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００７６】
請求項４に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンによれば、逆タンブルポートを通って気筒内に流入する吸気流が、シリンダ壁に沿ってピストンの方に下降した後、逆タンブルポートに対向したキャビティに沿って燃焼室の中央部へと上昇して旋回する逆タンブルを生起して、混合気の成層化がはかれるため、希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００７７】
請求項５に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンによれば、順タンブルポートの吸気バルブを逆タンブルポートの吸気バルブより先に開弁して先に閉弁し、インジェクタから噴射された燃料噴霧が、最大リフト位置にある順タンブルポートの吸気バルブの下方に拡がり、逆タンブルポートの吸気バルブが開弁する前に終了するため、燃料噴霧が各吸気バルブに接することが抑えられる。この結果、燃料と空気の混合がはかれ、希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【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】同じく燃焼室天井壁等の平面図。
【図３】他の実施形態を示すエンジンの断面図。
【図４】同じく燃焼室天井壁等の平面図。
【図５】さらに他の実施形態を示すエンジンの断面図。
【図６】同じく燃焼室天井壁等の平面図。
【図７】さらに他の実施形態を示す吸気バルブのバルブリフト特性図。
【図８】さらに他の実施形態を示すエンジンの断面図。
【図９】同じく図８のＡ−Ａ線に沿う断面図。
【符号の説明】
１ ピストン
２ キャビティ
３ 燃焼室
４ 点火栓
５ 吸気ポート
６ インジェクタ
７ 吸気バルブ
１１ 順タンブルポート
１２ 逆タンブルポート
１５ コントロールバルブ
１７ マスキング部
１９ シリンダヘッド
２０ 燃焼室天井壁
２１ ピストン頂面
２５ インテークマニホールド
【発明の属する技術分野】
本発明は、直接筒内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】
点火栓の近傍に燃料を集める混合気の成層化をはかるため、気筒内にインジェクタ（燃料噴射弁）を臨ませ、気筒内に直接に燃料を噴射するようにした直接筒内噴射式火花点火エンジンがある。
【０００３】
従来の直接筒内噴射式火花点火エンジンとして、例えば特開平６−２０７５４２号公報に開示しているように、吸気ポートをシリンダ壁に沿って直立させるものがある。
【０００４】
直立した吸気ポートから気筒内に流入した吸気は、シリンダ壁に沿って下降した後、ピストン頂面に沿って旋回する逆タンブルを生起する。
【０００５】
インジェクタから気筒内に噴射された燃料は、この逆タンブルによって旋回する過程で、その微粒化および気化が進み、点火栓に液状燃料が付着することを防止し、失火を無くして安定した燃焼性が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の直接筒内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がシリンダヘッド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、シリンダヘッドに直立する吸気ポートを備えるため、シリンダヘッドの燃焼室壁のまわりに形成されるウォータジャケットの配置自由度が小さくなる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、直接筒内噴射式火花点火エンジンに適した吸気ポートの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に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンは、気筒内に吸気を導入する吸気ポートと、気筒内に燃料を噴射するインジェクタと、気筒内の混合気に点火する点火栓と、気筒内から排気を排出する排気ポートと、を備える直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、前記吸気ポートとして共通の気筒に開口する順タンブルポートと逆タンブルポートを備え、順タンブルポートを排気ポート側のシリンダ壁に対向するように傾斜させて形成し、前記順タンブルポートから気筒内に導入される吸気量を調節するタンブル調節手段を備え、逆タンブルポートの下流端部を吸気ポート側のシリンダ壁に沿って直立するように湾曲させて形成する。
【００１１】
請求項２に記載の直接筒内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、前記逆タンブルポートの下流端部を画成するポート壁に吸気バルブの傘裏部のうち排気ポートに近接する部分を覆うように突出するマスキング部が形成する。
【００１２】
請求項３に記載の直接筒内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、前記逆タンブルポートを順タンブルポートより先に開弁させる構成とする。
【００１３】
請求項４に記載の直接筒内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、ピストンの頂面に凹状に窪むキャビティを形成し、キャビティを逆タンブルポートに対向するようにシリンダ中心線に対してオフセットして形成する。
【００１４】
請求項５に記載の直接筒内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、順タンブルポートの吸気バルブを逆タンブルポートの吸気バルブより先に開弁して先に閉弁する構成とし、インジェクタから噴射された燃料噴霧が最大リフト位置にある順タンブルポートの吸気バルブの下方に拡がるように配置し、インジェクタの燃料噴射終了時期を逆タンブルポートの吸気バルブが開弁する前に終了するように設定する。
【００１５】
【作用】
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、順タンブルポートを通って気筒内に流入する吸気流は、気筒内で順タンブルポートに対向した燃焼室天井壁を経てシリンダ壁に沿って下降した後にピストン頂面へと進んで旋回する順タンブルを生起する。
【００１６】
一方、逆タンブルポートを通って気筒内に流入する吸気流は、吸気ポート側のシリンダ壁に沿って下降した後にピストン頂面を経て燃焼室天井壁へと進んで旋回する逆タンブルを生起する。
【００１７】
順タンプルポートと逆タンプルポートそれぞれ通って気筒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。
【００１８】
逆タンブルポートは、その途中で大きく湾曲する構造のため、その下流端部をシリンダ壁に沿って直立させても、その上流端をシリンダヘッドの側壁部に開口させて、インテークマニホールドをシリンダヘッドの側壁部に接続することができる。
【００１９】
この結果、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とともに、シリンダヘッドの燃焼室壁のまわりに形成されるウォータジャケットの配置自由度を大きくすることができる。
【００２０】
また、タンブル調節手段により順タンブルポートが閉じられる運転状態で、インジェクタから気筒内に噴射された燃料は、この逆タンブルによって吸気ポート側のシリンダ壁に沿って一旦下降するため、点火栓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。
【００２１】
タンブル調節手段により順タンブルポートが開かれる運転状態で、吸気は順タンブルポートと逆タンブルポートに分流して気筒内に吸入されるため、ポート面積が拡大してエンジンの吸気充填効率を高められるとともに、順タンプルポートと逆タンプルポートそれぞれ通って気筒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。
【００２２】
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、逆タンブルポートを流れる吸気流は、このマスキング部を介して吸気バルブの傘裏部の排気ポートに近接する部分を迂回して流れることにより、逆タンブルポートを通って気筒内に流入する吸気流に与えるシリンダ壁に沿って下降する速度成分を強め、気筒内に生起される逆タンブルの勢力が強化される。
【００２３】
こうして気筒内に強い逆タンブルが生起されることにより、インジェクタから気筒内に噴射された燃料を点火栓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。
【００２４】
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、ピストンが下降する吸入行程の初期では逆タンブルポートのみが開通するため、逆タンブルポートを通って気筒内に生起される逆タンブルの勢力を強化することができる。
【００２５】
こうして気筒内に強い逆タンブルが生起されることにより、インジェクタから気筒内に噴射された燃料を点火栓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。
【００２６】
請求項４に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、逆タンブルポートを通って気筒内に流入する吸気流は、シリンダ壁に沿ってピストンの方に下降した後、逆タンブルポートに対向したキャビティに沿って燃焼室の中央部へと上昇して旋回する逆タンブルを生起する。インジェクタから気筒内に噴射された燃料をこの逆タンブルによって点火栓の近傍に集められる。こうして、混合気の成層化がはかれるため、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。
【００２７】
請求項５に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、順タンブルポートの吸気バルブを逆タンブルポートの吸気バルブより先に開弁して先に閉弁する。
【００２８】
インジェクタから噴射された燃料噴霧は、最大リフト位置にある順タンブルポートの吸気バルブの下方に拡がり、逆タンブルポートの吸気バルブが開弁する前に終了する構成により、燃料噴霧が各吸気バルブに接することが抑えられ、燃料と空気の混合がはかれる。
【００２９】
【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。
【００３０】
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５と２つの排気ポート２３が互いに対向して開口している。
【００３１】
図１にも示すように、燃焼室３の中央部に点火栓４が臨み、点火栓４を挟むようにして２つの吸気バルブ７と２つの排気バルブ（図示せず）が互いに対向して設けられる。図１において、Ｏ8は排気弁の中心線を示している。
【００３２】
燃焼室天井壁２０の側部から燃焼室３に臨むインジェクタ６が設けられる。インジェクタ６は２つの吸気バルブ７の側方で、かつ両吸気バルブ７の中間に位置して燃焼室３に臨んでいる。
【００３３】
インジェクタ６はピストン１の頂面２１に対して傾斜するよう配置される。インジェクタ６の噴口から噴射される燃料噴霧の中心線は水平線に対して所定角度で下向きに傾斜するように配置される。
【００３４】
ピストン１が上昇する圧縮行程で、インジェクタ６の噴口から噴射された燃料噴霧は、その大部分が各吸気バルブ７の間を通ってピストン頂面２１の方に向かうとともに、その一部が各吸気バルブ７の傘裏部に当たるようになっている。
【００３５】
吸気ポート５は、その上流端がシリンダヘッド１９の側壁部に開口し、その途中から中央隔壁２７を介して順タンブルポート１１と逆タンブルポート１２にＶ字形に分岐し、各下流端が燃焼室天井壁２０に開口している。
【００３６】
順タンブルポート１１は、その通路中心が図１の正面図上において直線状に延び、各排気ポート２３が開口した側の燃焼室天井壁２０およびシリンダ壁１４に対向している。順タンブルポート１１は逆タンブルポート１２よりシリンダ中心線に対して大きく傾斜している。
【００３７】
逆タンブルポート１２は、その通路中心が図１の正面図上において下方に向けて大きく湾曲し、その下流端部が吸気ポート５が開口する側のシリンダ壁１４に沿って直立するように形成される。
【００３８】
ピストン１の頂面２０には円盤状に窪むキャビティ２が形成される。キャビティ２はピストン頂面２０の中央部に開口している。
【００３９】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００４０】
各吸気バルブ７が開かれるのに伴って吸気ポート５から気筒内に空気が吸入される。ピストン１が上昇する圧縮行程中にインジェクタ６が開弁し、燃焼室３に燃料が噴射される。気筒内に吸入された空気がピストンで圧縮された状態で点火栓４を介して燃料を着火燃焼させる。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２３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。
【００４１】
吸気は吸気ポート５において順タンブルポート１１と逆タンブルポート１２に略均等に分流して気筒内に吸入される。
【００４２】
順タンブルポート１１を通って気筒内に流入する吸気流は、図８に破線の矢印で示すように、排気ポート２３側の燃焼室天井壁２０を経てシリンダ壁１４に沿って下降した後にピストン頂面２１上へと進んで旋回する順タンブルを生起する。一方、逆タンブルポート１２を通って気筒内に流入する吸気流は、図８に実線の矢印で示すように、吸気ポート５側のシリンダ壁１４に沿って下降した後に、ピストン１の頂面２０に窪むキャビティ２に沿って燃焼室３の中央部へと上昇して旋回する逆タンブルを生起する。こうして気筒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。
【００４３】
逆タンブルポート１２は、その途中で大きく湾曲する構造のため、その下流端部をシリンダ壁１４に沿って直立させても、その上流端をシリンダヘッド１９の側壁部に開口させて、インテークマニホールド２５をシリンダヘッド１９の側壁部に接続することができる。この結果、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とともに、シリンダヘッドの燃焼室壁のまわりに形成されるウォータジャケットの配置自由度を大きくすることができる。
【００４４】
他の実施形態として、図１、図２に示すような燃焼室構造を持つエンジンにおいて、順タンブルポート１１の吸気バルブ７を逆タンブルポート１２の吸気バルブ７より先に開弁し、先に閉弁する構成としてもよい。
【００４５】
この場合、インジェクタ６の噴口は、クランクシャフトと直交するシリンダ中心線に対してオフセットして、これから噴射された燃料噴霧が、最大リフト位置にある順タンブルポート１１の吸気バルブ７の下方に拡がるように配置する。
【００４６】
そして、インジェクタ６の燃料噴射時期は、燃料噴射を逆タンブルポート１２の吸気バルブ７が開弁する前に終了するように設定される。
【００４７】
以上のように構成され、インジェクタ６から噴射される燃料噴霧が各吸気バルブ７に接することが抑えられ、燃料と空気の混合がはかれる。
【００４８】
次に、図３、図４に示す実施形態について説明する。なお、図１、図２との対応部分には同一符号を付す。
【００４９】
吸気ポート５は、中央隔壁２８を介して順タンブルポート１１と逆タンブルポート１２に独立して画成され、それぞれの上流端がシリンダヘッド１９の側壁部に開口し、それぞれの下流端が燃焼室天井壁２０に開口している。
【００５０】
順タンブルポート１１は、その通路中心が図３の正面図上において直線状に延び、各排気ポート２３が開口した側の燃焼室天井壁２０およびシリンダ壁１４に対向している。順タンブルポート１１は逆タンブルポート１２よりシリンダ中心線に対して大きく傾斜している。
【００５１】
逆タンブルポート１２は、その通路中心が図３の正面図上において下方に向けて大きく湾曲し、その下流端部が吸気ポート５が開口する側のシリンダ壁１４に沿って直立するように形成される。
【００５２】
順タンブルポート１１から気筒内に導入される吸気量を調節するタンブル調節手段として、順タンブルポート１１の入口部を開閉するバタフライ式のコントロールバルブ１５が設けられる。
【００５３】
図３に示すように、円形をしたコントロールバルブ１５は、インテークマニホールド２５に形成された順タンブルポート１１に対する入口部２６にシャフト２７を介して回転可能に収装される。シャフト２７は図示しないアクチュエータを介して回動する。
【００５４】
図示しないコントロールユニットは、所定の低中速・低中負荷域の成層燃焼領域でコントロールバルブ１５を全閉し、所定の高速・高負荷域の均質燃焼領域でコントロールバルブ１５を全開する制御を行う。
【００５５】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００５６】
所定の低中速・低中負荷域の成層燃焼領域でコントロールバルブ１５が全閉すると、吸気の大部分は逆タンブルポート１２を通って気筒内に吸入される。逆タンブルポート１２を通って気筒内に流入する吸気流は、図３に実線の矢印で示すように、シリンダ壁１４に沿ってピストン１の方に下降した後、ピストン１の頂面２０に窪むキャビティ２に沿って燃焼室３の中央部へと上昇して旋回する逆タンブルを生起する。
【００５７】
こうして気筒内に強い逆タンブルが生起されることにより、インジェクタ６から気筒内に噴射された燃料を点火栓４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。
【００５８】
インジェクタ６から気筒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、点火栓４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。すなわち、気筒内に噴射された燃料は、この逆タンブルによってピストン１のキャビティ２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、燃料を点火栓４の近傍に集める混合気の成層化がはかれる
また、コントロールバルブ１５が閉弁する運転状態では、吸気の大部分が逆タンブルポート１２から気筒内に流入することにより吸気流速を高められる。このため、インジェクタ６から噴射された燃料噴霧のうち各吸気バルブ７の傘裏部に付着した燃料は高速吸気流により吹き飛ばされ、燃料と空気の混合がはかれる。
【００５９】
所定の高速・高負荷域の均質燃焼領域でコントロールバルブ１５を全開すると、吸気は順タンブルポート１１と逆タンブルポート１２に略均等に分流して気筒内に吸入される。したがって、ポート面積が拡大してエンジンの吸気充填効率を高められる。
【００６０】
順タンブルポート１１を通って気筒内に流入する吸気流が順タンブルを生起する一方、逆タンブルポート１２を通って気筒内に流入する吸気流が逆タンブルを生起する。こうして気筒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。
【００６１】
次に、図５、図６に示す実施形態について説明する。なお、図１、図２との対応部分には同一符号を付す。
【００６２】
逆タンブルポート１２の下流端部を画成するポート壁に吸気バルブ７の傘裏部のうち排気ポート２３に近接する部分を覆うように突出するマスキング部１７が形成される。
【００６３】
マスキング部１７は、逆タンブルポート１２の下流端部を画成するポート壁から吸気バルブ７の傘裏部の上方に突出し、吸気バルブ７を挟んで吸気ポート５が開口する側のシリンダ壁１４に向けて突出する。
【００６４】
逆タンブルポート１２を流れる吸気流は、図５に実線の矢印で示すように、このマスキング部１７を介して吸気バルブ７の傘裏部の排気ポート２３に近接する部分を迂回することにより、逆タンブルポート１２を通って気筒内に流入する吸気流に与えるシリンダ壁１４に沿って下降する速度成分を強め、逆タンブルの勢力を強化することができる。
【００６５】
さらに他の実施形態として、図７に示すように、逆タンブルポートを開閉する吸気バルブが順タンブルポートを開閉する吸気バルブより先に開弁するとともに、先に閉弁する構成としてもよい。
【００６６】
この場合、ピストンが下降する吸入行程の初期では、吸気が逆タンブルポートのみを通って気筒内に吸入されるため、逆タンブルポートを通って気筒内に生起される逆タンブルの勢力を強化することができる。
【００６７】
こうして気筒内に強い逆タンブルが生起されることにより、インジェクタから気筒内に噴射された燃料を点火栓４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。
【００６８】
次に、図８、図９に示す実施形態について説明する。なお、図１、図２との対応部分には同一符号を付す。
【００６９】
ピストン１の頂面２１に逆タンブルポート１２に対向して窪むキャビティ２が形成される。
【００７０】
キャビティ２は逆タンブルポート１２に対向するようにシリンダ中心線に対してオフセットして形成される。
【００７１】
この場合、逆タンブルポート１２を通って気筒内に流入する吸気流は、図８に実線の矢印で示すように、シリンダ壁１４に沿ってピストン１の方に下降した後、逆タンブルポート１２に対向したキャビティ２に沿って燃焼室３の中央部へと上昇して旋回する逆タンブルを生起する。インジェクタ６から気筒内に噴射された燃料をこの逆タンブルによって点火栓４の近傍に集められる。こうして混合気の成層化がはかられるため、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。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンによれば、順タンプルポートと逆タンプルポートそれぞれ通って気筒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とともに、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とともに、シリンダヘッドの燃焼室壁のまわりに形成されるウォータジャケットの配置自由度を大きくすることができる。また、シリンダヘッドに対して吸気ポートの配置を変更する必要がなく、隔壁を追加することで容易に実施することができる。
【００７３】
また、タンブル調節手段を介して順タンブルポートが閉じられる運転状態で、気筒内に強い逆タンブルが生起されることにより、点火栓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とともに、タンブル調節手段により順タンブルポートが開かれる運転状態で、ポート面積が拡大してエンジンの吸気充填効率を高められるとともに、順タンプルポートと逆タンプルポートそれぞれ通って気筒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。
【００７４】
請求項２に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンによれば、逆タンブルポートを流れる吸気流がマスキング部を介して吸気バルブの傘裏部の排気ポートに近接する部分を迂回して流れることにより、逆タンブルポートを通って気筒内に流入する吸気流に与えるシリンダ壁に沿って下降する速度成分を強め、気筒内に生起される逆タンブルの勢力が強化され、希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００７５】
請求項３に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンによれば、ピストンが下降する吸入行程の初期では逆タンブルポートのみが開通するため、逆タンブルポートを通って気筒内に生起される逆タンブルの勢力がされ、希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００７６】
請求項４に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンによれば、逆タンブルポートを通って気筒内に流入する吸気流が、シリンダ壁に沿ってピストンの方に下降した後、逆タンブルポートに対向したキャビティに沿って燃焼室の中央部へと上昇して旋回する逆タンブルを生起して、混合気の成層化がはかれるため、希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００７７】
請求項５に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンによれば、順タンブルポートの吸気バルブを逆タンブルポートの吸気バルブより先に開弁して先に閉弁し、インジェクタから噴射された燃料噴霧が、最大リフト位置にある順タンブルポートの吸気バルブの下方に拡がり、逆タンブルポートの吸気バルブが開弁する前に終了するため、燃料噴霧が各吸気バルブに接することが抑えられる。この結果、燃料と空気の混合がはかれ、希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【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】同じく燃焼室天井壁等の平面図。
【図３】他の実施形態を示すエンジンの断面図。
【図４】同じく燃焼室天井壁等の平面図。
【図５】さらに他の実施形態を示すエンジンの断面図。
【図６】同じく燃焼室天井壁等の平面図。
【図７】さらに他の実施形態を示す吸気バルブのバルブリフト特性図。
【図８】さらに他の実施形態を示すエンジンの断面図。
【図９】同じく図８のＡ−Ａ線に沿う断面図。
【符号の説明】
１ ピストン
２ キャビティ
３ 燃焼室
４ 点火栓
５ 吸気ポート
６ インジェクタ
７ 吸気バルブ
１１ 順タンブルポート
１２ 逆タンブルポート
１５ コントロールバルブ
１７ マスキング部
１９ シリンダヘッド
２０ 燃焼室天井壁
２１ ピストン頂面
２５ インテークマニホールド
Claims (5)
- 気筒内に吸気を導入する吸気ポートと、
気筒内に燃料を噴射するインジェクタと、
気筒内の混合気に点火する点火栓と、
気筒内から排気を排出する排気ポートと、
を備える直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、
前記吸気ポートとして共通の気筒に開口する順タンブルポートと逆タンブルポートを備え、
順タンブルポートを排気ポート側のシリンダ壁に対向するように傾斜させて形成し、
前記順タンブルポートから気筒内に導入される吸気量を調節するタンブル調節手段を備え、
逆タンブルポートの下流端部を吸気ポート側のシリンダ壁に沿って直立するように湾曲させて形成したことを特徴とする直接筒内噴射式火花点火エンジン。 - 前記逆タンブルポートの下流端部を画成するポート壁に吸気バルブの傘裏部のうち排気ポートに近接する部分を覆うように突出するマスキング部が形成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。
- 前記逆タンブルポートを順タンブルポートより先に開弁させる構成としたことを特徴とする請求項１または２に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジン。
- ピストンの頂面に凹状に窪むキャビティを形成し、キャビティを前記逆タンブルポートに対向するようにシリンダ中心線に対してオフセットして形成し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。
- 前記順タンブルポートの吸気バルブを逆タンブルポートの吸気バルブより先に開弁して先に閉弁する構成とし、インジェクタから噴射された燃料噴霧が最大リフト位置にある順タンブルポートの吸気バルブの下方に拡がるように配置し、インジェクタの燃料噴射終了時期を逆タンブルポートの吸気バルブが開弁する前に終了するように設定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。
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