(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ形の燃焼室と、ピストンの冠面に凹設された浅皿形燃焼室と、吸気ポートの下部に配設され、上記ペントルーフ形燃焼室に対し斜め下向きとなる方向に向かって燃料を筒内に直接噴射する高圧燃料噴射弁と、上記ペントルーフ形燃焼室の略中心に配置された点火プラグと、筒内に順タンブル流を生成するためのガス流動生成手段と、を備え、上記ガス流動生成手段により生成される順タンブル流を用いて成層燃焼を行う筒内直接噴射式火花点火機関において、
上記浅皿形燃焼室は、吸気側から排気側に向かいピストン中心軸を通る平面に沿った断面が、曲率半径Ｒの円弧に近似した湾曲形状をなし、その略中央の最深底部の深さが浅い略円筒面からなる底面と、上記平面に略平行な一対の側面と、を備え、上面開口形状がピストン平面図上で略長方形となるような窪み部から構成されており、
高回転域よりも相対的に遅角側となるアイドル回転時の噴射時期における噴霧下端部がピストン冠面に到達したときのピストン位置において、上記底面に衝突した噴霧が上方へ向かって反射するように、上記噴霧下端部との衝突点における上記底面の円弧の接面が水平面に対しなす角度αが、噴霧下端部が水平面に対しなす角度θの１／２以下となるように、上記底面の曲率半径Ｒが設定されており、
上記最深底部と該底面の吸気側の切欠開始点とを結ぶ平面が水平面に対しなす角度βが、上記ペントルーフ形燃焼室の吸気側傾斜面の水平面に対する角度θｉｎｔ以上で、かつ上記最深底部と該底面の排気側の切欠開始点とを結ぶ平面が水平面に対しなす角度γが、上記ペントルーフ形燃焼室の排気側傾斜面の水平面に対する角度θｅｘｈ以上となるように、上記底面の曲率半径Ｒが設定されており、
更に、ピストン外形部から上記吸気側の切欠開始点までの長さＬｉｎｔが、上記アイドル回転時の噴射時期における噴霧下端部がピストン冠面に到達したときの衝突点のピストン外形部からの距離Ａより小さくなるように、上記最深底部の深さが設定されていることを特徴とする筒内直接噴射式火花点火機関。
【請求項２】
ピストン外形部から上記底面の排気側の切欠開始点までの長さＬｅｘｈが上記長さＬｉｎｔと略等しく、
ピストン冠面の窪み部以外の凸部に形成された吸気側の傾斜面および排気側の傾斜面が、シリンダヘッド側の上記ペントルーフ形燃焼室の吸気側傾斜面および排気側傾斜面に対し各々略平行であり、
ピストン上死点位置での吸気側および排気側のそれぞれにおけるピストン側傾斜面とペントルーフ形燃焼室側傾斜面との間の距離Ｂｉｎｔおよび距離Ｂｅｘｈが、互いに略等しいことを特徴とする請求項１記載の筒内直接噴射式火花点火機関。
【請求項３】
ピストン冠面の窪み部以外の凸部に形成された吸気側の傾斜面および排気側の傾斜面が、シリンダヘッドの上記ペントルーフ形燃焼室の吸気側傾斜面および排気側傾斜面に対し各々略平行であり、
吸気側および排気側のそれぞれのピストン外形部から上記底面の切欠開始点までの長さＬｉｎｔおよび長さＬｅｘｈの比（Ｌｉｎｔ／Ｌｅｘｈ）と、ピストン上死点位置での吸気側および排気側のそれぞれにおけるピストン側傾斜面とペントルーフ形燃焼室側傾斜面との間の距離Ｂｉｎｔおよび距離Ｂｅｘｈの比（Ｂｉｎｔ／Ｂｅｘｈ）とが、互いに略等しいことを特徴とする請求項１記載の筒内直接噴射式火花点火機関。
【請求項４】
ピストン冠面の窪み部以外の凸部に形成された吸気側の傾斜面および排気側の傾斜面が交わる頂部に、水平面を有し、
ピストン上死点で、この水平面とペントルーフ形燃焼室の頂部との間の距離Ｃが、吸気側および排気側のそれぞれにおけるピストン側傾斜面とペントルーフ形燃焼室側傾斜面との間の距離Ｂｉｎｔおよび距離Ｂｅｘｈよりも大きく、かつ、点火プラグ電極位置と上記ペントルーフ形燃焼室の頂部との間の距離Ｄｐよりも小さいことを特徴とする請求項１記載の筒内直接噴射式火花点火機関。
【請求項５】
ピストン冠面における窪み部の幅を、成層運転条件の噴霧外形角がこの窪み部の幅の範囲内に納まるように設定したことを特徴とする請求項１記載の筒内直接噴射式火花点火機関。
【請求項６】
上記底面と上記側面とが交わる角部がＲ形状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の筒内直接噴射式火花点火機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、筒内に直接燃料を噴射して成層燃焼を実現するようにした筒内直接噴射式火花点火機関に関し、特に、筒内の順タンブル流を利用するものの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の筒内直接噴射式火花点火機関として、例えば図１に示すような構成のものが知られている（特開平４−１１２９３１号公報参照）。
【０００３】
このものでは、ピストン５１頂部に、その排気側に凸部５１ａを残すように凹状の燃焼室５２が形成されているとともに、シリンダヘッド５８側の燃焼室５９中心に点火プラグ５７が配置され、かつ吸気ポート５３下部に、燃焼室５２に対し斜め下向きに高圧燃料噴射弁５６が配設されている。なお、５４は吸気弁、５５は排気弁、６０は排気ポートである。成層運転とすべき少なくとも特定の機関運転状態のときに、燃料は、圧縮行程中に噴射される。この燃料は、吸気ポート５３により形成された矢印で示す順タンブル流動により、その拡散を防止しつつ点火プラグ５７近傍に運ばれ、点火される。そのため燃料の成層化が可能となり、超希薄空燃比での運転による燃費の向上が図れる。
【０００４】
【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機関にあっては、吸気ポート５３により形成される順タンブル流動の強い部分負荷域のような中高回転時では、この順タンブル方向のガス流動により燃料を直接点火プラグ５７の方向へ向かわせることが可能であるが、アイドル時のような低回転時には、吸気ポート５３で形成される順タンブル流動が弱まり、燃料は点火プラグ５７方向へ届きづらくなるという問題があった。
【０００５】
この発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、ピストン冠面に設けられる燃焼室の形状の改良により上記問題点を解決することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ形の燃焼室と、ピストンの冠面に凹設された浅皿形燃焼室と、吸気ポートの下部に配設され、上記ペントルーフ形燃焼室に対し斜め下向きとなる方向に向かって燃料を筒内に直接噴射する高圧燃料噴射弁と、上記ペントルーフ形燃焼室の略中心に配置された点火プラグと、筒内に順タンブル流を生成するためのガス流動生成手段と、を備え、上記ガス流動生成手段により生成される順タンブル流を用いて成層燃焼を行う筒内直接噴射式火花点火機関において、
上記浅皿形燃焼室は、吸気側から排気側に向かいピストン中心軸を通る平面に沿った断面が、曲率半径Ｒの円弧に近似した湾曲形状をなし、その略中央の最深底部の深さが浅い略円筒面からなる底面と、上記平面に略平行な一対の側面と、を備え、上面開口形状がピストン平面図上で略長方形となるような窪み部から構成されていることを特徴としている。なお、底面の湾曲形状は、全体として曲率半径Ｒの円弧に近似したものであればよく、勿論、一つの円弧から構成することもでき（この場合は、完全な円筒面となる）、複数の円弧を滑らかに連続させて構成することもでき、あるいは、複数の微小幅の平面を連続させて構成することもできる。
【０００７】
部分負荷域での中高回転時のように、順タンブル方向のガス流動が十分に強いときには、窪み部からなる浅皿形燃焼室に沿って順タンブル流が円滑に流れ、噴射された燃料が直接点火プラグの方向へ向かう。これに対し、アイドル時のような低回転時には、順タンブル流動が弱まり、燃料はそのままでは点火プラグの方向へ届きづらくなるが、低速域では、燃料噴射時期が遅角側に設定されることから、噴霧の一部が浅皿形燃焼室の底面に衝突し、ここで上方へ反射して、点火プラグへと向かう。そのため、ガス流動が弱くても、噴霧を点火プラグ近傍に集中させることが可能となる。
【０００８】
特に本発明においては、高回転域よりも相対的に遅角側となるアイドル回転時の噴射時期における噴霧下端部がピストン冠面に到達したときのピストン位置において、上記底面に衝突した噴霧が上方へ向かって反射するように、上記噴霧下端部との衝突点における上記底面の円弧の接面が水平面に対しなす角度αｎが、噴霧下端部が水平面に対しなす角度θの１／２以下となるように、上記底面の曲率半径Ｒが設定されており、
上記最深底部と該底面の吸気側の切欠開始点とを結ぶ平面が水平面に対しなす角度βが、上記ペントルーフ形燃焼室の吸気側傾斜面の水平面に対する角度θｉｎｔ以上で、かつ上記最深底部と該底面の排気側の切欠開始点とを結ぶ平面が水平面に対しなす角度γが、上記ペントルーフ形燃焼室の排気側傾斜面の水平面に対する角度θｅｘｈ以上となるように、上記底面の曲率半径Ｒが設定されており、
更に、ピストン外形部から上記吸気側の切欠開始点までの長さＬｉｎｔが、上記アイドル回転時の噴射時期における噴霧下端部がピストン冠面に到達したときの衝突点のピストン外形部からの距離Ａより小さくなるように、上記最深底部の深さが設定されている。
【０００９】
なお、上記の「水平面」とは、あくまでもシリンダの中心軸に直交する平面を意味しており、例えば、機関が傾斜した状態で車両に搭載されるような場合には、厳密な意味の水平とはならないが、本発明では、これを便宜上「水平面」と呼ぶものとする。
【００１０】
上記の３つの条件の中の第１の条件によって、底面の曲率半径Ｒの下限値が定められる。すなわち、アイドルのような低回転時には、燃料噴射時期が遅角側に設定されるが、この第１の条件を満たす曲率半径Ｒであれば、窪み部の底面に衝突した噴霧は、必ず水平面より上方へ向かって反射することになる。この第１の条件は、上記の衝突点からピストン中心までの距離（上記の吸気側から排気側に向かいピストン中心軸を通る平面に沿った方向の距離）を距離Ｘとすると、曲率半径Ｒを、Ｘ×ｓｉｎ（θ／２）以上とすることで満たされる。
【００１１】
また、第２の条件によって、底面の曲率半径Ｒの上限値が定められる。この第２の条件を満たす曲率半径Ｒであれば、ピストン側の窪み部が過度に偏平なものとならず、筒内に形成されたタンブル流を阻害することがない。
【００１２】
さらに、第３の条件によって窪み部の深さが定められることになるが、この第３の条件を満たすことにより、遅角側に設定される低回転時の噴射時期において、噴霧の全体が、窪み部内に衝突する。
【００１３】
請求項１の発明をさらに限定した請求項２の発明では、ピストン外形部から上記底面の排気側の切欠開始点までの長さＬｅｘｈが上記長さＬｉｎｔと略等しく、
ピストン冠面の窪み部以外の凸部に形成された吸気側の傾斜面および排気側の傾斜面が、シリンダヘッド側の上記ペントルーフ形燃焼室の吸気側傾斜面および排気側傾斜面に対し各々略平行であり、
ピストン上死点位置での吸気側および排気側のそれぞれにおけるピストン側傾斜面とペントルーフ形燃焼室側傾斜面との間の距離Ｂｉｎｔおよび距離Ｂｅｘｈが、互いに略等しい。
【００１４】
上記の長さＬｉｎｔおよび長さＬｅｘｈの範囲は、いわゆるスキッシュエリアを構成する。上記のように設定することにより、吸気側のスキッシュ流の強さと排気側のスキッシュ流の強さとが略等しくなり、両者の差によるガス流動が発生しないため、筒内に生成された順タンブル流が変化せず、ガス流動のサイクルばらつきが抑制される。
【００１５】
同じく、請求項１の発明をさらに限定した請求項３の発明では、ピストン冠面の窪み部以外の凸部に形成された吸気側の傾斜面および排気側の傾斜面が、シリンダヘッドの上記ペントルーフ形燃焼室の吸気側傾斜面および排気側傾斜面に対し各々略平行であり、
吸気側および排気側のそれぞれのピストン外形部から上記底面の切欠開始点までの長さＬｉｎｔおよび長さＬｅｘｈの比（Ｌｉｎｔ／Ｌｅｘｈ）と、ピストン上死点位置での吸気側および排気側のそれぞれにおけるピストン側傾斜面とペントルーフ形燃焼室側傾斜面との間の距離Ｂｉｎｔおよび距離Ｂｅｘｈの比（Ｂｉｎｔ／Ｂｅｘｈ）とが、互いに略等しい。
【００１６】
このような構成においても、請求項２の発明と同様に、吸気側のスキッシュ流の強さと排気側のスキッシュ流の強さとが略等しくなり、両者の差によるガス流動が発生しないため、筒内に生成された順タンブル流が変化せず、ガス流動のサイクルばらつきが抑制される。
【００１７】
また、請求項４の発明は、ピストン冠面の窪み部以外の凸部に形成された吸気側の傾斜面および排気側の傾斜面が交わる頂部に、水平面を有し、
ピストン上死点で、この水平面とペントルーフ形燃焼室の頂部との間の距離Ｃが、吸気側および排気側のそれぞれにおけるピストン側傾斜面とペントルーフ形燃焼室側傾斜面との間の距離Ｂｉｎｔおよび距離Ｂｅｘｈよりも大きく、かつ、点火プラグ電極位置と上記ペントルーフ形燃焼室の頂部との間の距離Ｄｐよりも小さいことを特徴としている。
【００１８】
この構成では、上記の水平面部分におけるピストン側とシリンダヘッド側との間隔（距離Ｃ）が相対的に大きく確保されることになるので、窪み部両側のスキッシュエリアで生じたスキッシュ流は、この水平面部分に向かう。つまり、上記の吸気側から排気側に向かいピストン中心軸を通る平面に沿った方向に流れる。従って、窪み部内の順タンブル流を乱したり、燃料の貫徹力を阻害することがない。これに対し、水平面部分の間隔が狭いと、この部分から内側つまり窪み部内へ向かって上記の平面と直交する方向にガス流動が生じ、順タンブル流や噴霧を乱してしまう。また、上記の距離Ｃが距離Ｄｐよりも小さいことから、ピストン上死点で点火プラグの電極部が窪み部内に入ることになり、成層化した燃料に確実に点火が行われる。
【００１９】
また請求項５に係る発明は、ピストン冠面における窪み部の幅を、成層運転条件の噴霧外形角がこの窪み部の幅の範囲内に納まるように設定したことを特徴としている。
【００２０】
これにより、噴霧の殆どが窪み部内に入り、側方へ分散することなく、点火プラグ近傍に確実に案内される。
【００２１】
また請求項６に係る発明では、窪み部の上記底面と上記側面とが交わる角部がＲ形状に形成されている。このように角部をＲ形状とすれば、燃料噴霧の左右両端部分がこの角部に衝突したときに、やはり上方へ向かって反射しようとする。そのため、左右両側へ分散せずに、点火プラグ近傍に一層集まりやすくなる。なお、この角部のＲ形状部分を、圧縮比調整のためのボリューム調整代として用いることもできる。
【００２２】
【発明の効果】
この発明に係る筒内直接噴射式火花点火機関においては、低回転での成層燃焼領域となるアイドル回転時において、遅角側に設定された燃料噴射時期に噴射された燃料噴霧が、ピストンの浅皿形燃焼室の底面に衝突して上方に反射するので、ガス流動が弱いアイドル回転時にあっても点火プラグ近傍に燃料を安定的に集めることができ、安定した成層燃焼を維持できる。
【００２３】
特に、窪み部の底面に衝突して反射する噴霧の方向が、必ず水平より上方向きとなり、点火プラグのある燃焼室上方を指向するようになるとともに、順タンブル流を阻害することがなく、かつ燃料噴霧の全体を窪み部内に入れることができる。従って、アイドル時のような順タンブル流が弱い場合と中高速域のような順タンブル流が十分強い場合の双方で、良好な成層燃焼を実現できる。
【００２４】
さらに、請求項２あるいは請求項３の発明によれば、排気側および吸気側の双方で生じるスキッシュ流によるタンブル流の変化を回避でき、ガス流動のサイクルばらつきを抑制できる。
【００２５】
また、請求項４の発明によれば、窪み部の両側の凸部部分から窪み部内に流れ込むガス流動を防止でき、順タンブル流や燃料の貫徹力を妨げることがない。
【００２６】
さらに請求項６の発明によれば、角部をＲ形状としたことにより、燃料噴霧の左右両端部分についても、上方へ向かって反射させることができ、左右両側へ分散せずに、点火プラグ近傍に燃料が一層集まりやすくなる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２８】
図２〜図５は、この発明に係る筒内直接噴射式火花点火機関の全体的な構成を示している。
【００２９】
図２に示すように、シリンダヘッド１１にペントルーフ形の燃焼室８が凹設されており、これに対応してピストン１の冠面には、部分的な窪み部からなる浅皿形燃焼室２が凹設されている。吸気ポート３下部には、ペントルーフ形燃焼室８に対し斜め下向きとなる方向に向かって燃料を筒内に直接噴射する高圧燃料噴射弁６が配設され、かつ、ペントルーフ形燃焼室８の略中心に、点火プラグ７が配置されている。吸気ポート３には、ガス流動生成手段となる隔壁１２およびタンブル制御弁９が設けられている。上記隔壁１２は、吸気ポート３を上下の通路に仕切っており、タンブル制御弁９が、その下側の通路を開閉することで、筒内に生成される順方向のタンブル流を強化できるようになっている。
【００３０】
なお、図３に示すように、吸気弁４および排気弁５は１気筒にそれぞれ一対づつ設けられており、これに対応して吸気ポート３やタンブル制御弁９も一対づつ存在している。そして、燃料噴射弁６は、一対の吸気ポート３の中間部に配置されている。排気弁５により開閉される排気ポート１３は、途中で１本の通路に合流している。
【００３１】
ピストン１冠面に凹設された燃焼室２は、図４および図５に示すように、ピストン平面図上で略長方形をなすように窪んでおり、その周囲は、凸部１４として残されている。この凸部１４は、それぞれ平面からなる吸気側の傾斜面２１および排気側の傾斜面２２と、両者が交わる頂部に設けられた水平面２３と、周囲を囲む円錐面２４と、から構成されている。なお、円錐面２４の周囲には、ピストンリングランド部の幅に略相当する比較的狭い幅の水平面２５が設けられている。
【００３２】
上記燃焼室２は、吸気側から排気側に向かいピストン中心軸Ｏを通る平面Ｍに沿った断面が曲率半径Ｒの円弧に近似した湾曲形状をなす略円筒面からなる底面２８と、上記平面Ｍに略平行な一対の側面２９と、から構成されており、上面開口形状が、上記平面Ｍに沿った方向が長辺となる略長方形をなしている。上記の曲率半径Ｒの円弧の中心は、上記ピストン中心軸Ｏ上にあり、従って、最深底部２８ａは、ピストン１の中心位置にある。
【００３３】
図６は、上記の構成における基本的な作用を説明する説明図である。同図の（ａ）は、順タンブル流が十分に強く得られる部分負荷域のような中高回転時の成層燃焼領域での状態を示しており、順タンブル流Ｇのガス流動によって、噴射された燃料噴霧が点火プラグ７近傍に集められる。なお、符号３１は、噴霧上端部により形成される燃料領域、符号３２は、噴霧下端部により形成される燃料領域を、それぞれ示している。燃料噴射弁６による噴霧外形角や噴射方向は、順タンブル流Ｇを考慮して設定されており、これにより燃料噴霧は点火プラグ７近傍に確実に集中し、安定した運転が可能である。
【００３４】
一方、機関の運転条件が、アイドル条件のような低回転時の成層燃焼領域では、吸気ポート３により形成される順タンブル流Ｇが弱まり、（ｂ）に示すように、燃料噴霧上端部による燃料領域３１は点火プラグ７方向へ届きづらくなる。しかし、このアイドル時のような低回転域では燃料噴射時期が遅角側となるので、噴霧下端部が浅皿形燃焼室２の底面２８に衝突し、水平よりも上方に反射して、点火プラグ７のある燃焼室８上方を指向する。このため、ガス流動が弱くても噴霧は点火プラグ７近傍に集中し、安定した成層燃焼運転が可能である。
【００３５】
従って、アイドルのような低回転域から中高回転域まで、成層運転を可能とすることができ、燃費・排気性能が向上する。
【００３６】
次に、上記浅皿形燃焼室２のさらに具体的な構成ならびにその作用効果について、説明する。
【００３７】
図７は、曲率半径Ｒの下限値について説明する図であって、低回転時（アイドル時）の噴射時期（遅角側に設定されている噴射時期）において噴霧下端部ｆが底面２８に到達したときのピストン位置における衝突点３３での円弧の接面が水平面に対しなす角を角度αとすると、該角度αが、噴霧下端部ｆと水平面とのなす角度θの１／２以下となるように設定されている。すなわち、上記衝突点３３からピストン中心までの距離をＸとすると、曲率半径Ｒは、Ｘ×ｓｉｎ（θ／２）以上となっている。なお、高回転域では、噴射時期が進角するので、図７の下方に示したように、ピストン１がより下側の位置で燃料噴霧が衝突するが、この場合の接面の傾斜角α２は、上記の角度αよりも小さくなる。
【００３８】
図８は、この曲率半径Ｒの下限値の設定による作用を説明するもので、上述のように曲率半径Ｒを設定すれば、（ａ）に示すように、噴射時期が遅角側となったときでも、燃料噴霧の下端部ｆは、必ず水平面よりも上方へ反射する。
【００３９】
これに対し、曲率半径Ｒが過度に小さいと、同図（ｂ）に示すように、水平面よりも下方へ向かって反射してしまい、点火プラグ７近傍へ燃料噴霧を集める作用が弱くなってしまう。
【００４０】
また、図９は、曲率半径Ｒの上限値について説明する図であって、底面２８の最深底部２８ａと該底面２８の吸気側の切欠開始点２８ｂとを結ぶ平面が水平面に対しなす角度をβ、上記最深底部２８ａと該底面２８の排気側の切欠開始点２８ｃとを結ぶ平面が水平面に対しなす角度をγとすると、上記角度βが、上記ペントルーフ形燃焼室８の吸気側傾斜面３７の水平面に対する角度θｉｎｔ以上で、かつ上記角度γが、上記ペントルーフ形燃焼室８の排気側傾斜面３８の水平面に対する角度θｅｘｈ以上となるように、上記曲率半径Ｒが設定されている。
【００４１】
このように、底面２８の曲率半径Ｒを設定すれば、図１０の（ａ）に示すように、ピストン１側の窪み部が過度に偏平なものとならず、筒内に形成されたタンブル流Ｇを阻害することがない。これに対し、曲率半径Ｒが過度に大きいと、同図（ｂ）に示すように、タンブル流Ｇが底面２８によって阻害される。
【００４２】
さらに、図１１は、浅皿形燃焼室２の窪み部の深さについて説明する図であって、ピストン外形部１ａから底面２８の吸気側切欠開始点２８ｂまでの長さをＬｉｎｔとすると、この長さＬｉｎｔが、低回転時（アイドル時）の噴射時期における噴霧下端部ｆが底面２８に到達したときのピストン位置における衝突点３３のピストン外形部１ａからの距離Ａより小さくなるように、浅皿形燃焼室２の深さが設定されている。
【００４３】
上記のように設定すれば、図１２の（ａ）に示すように、遅角側に設定されるアイドル時の噴射時期においても、燃料噴霧が凸部１４に衝突することなく、浅皿形燃焼室２内に入る。これに対し、窪み部の深さが浅く、従って、上記の長さＬｉｎｔが大きくなると、（ｂ）に示すように、凸部１４の吸気側傾斜面２１に衝突してしまう。
【００４４】
図１３は、ピストン１とペントルーフ形燃焼室８との相対的な関係を説明している。
【００４５】
この図１３に示すように、ピストン外形部１ｂから底面２８の排気側切欠開始点２８ｃまでの長さをＬｅｘｈとすると、この長さＬｅｘｈは、上述した吸気側のピストン外形部１ａから底面２８の吸気側切欠開始点２８ｂまでの長さＬｉｎｔと略等しく設定されている。そして、窪み部以外の凸部１４における吸気側の傾斜面２１と排気側の傾斜面２２は、シリンダヘッド１１に凹設されたペントルーフ形燃焼室８における吸気側傾斜面３７と排気側傾斜面３８に各々略平行となるように設定されている。つまり、ピストン１の吸気側の傾斜面２１の角度Ｐｉｎｔとペントルーフ形燃焼室８の吸気側傾斜面３７の角度θｉｎｔは略等しく、ピストン１の排気側の傾斜面２２の角度Ｐｅｘｈとペントルーフ形燃焼室８の排気側傾斜面３８の角度θｅｘｈは略等しい。さらに、ピストン１の上死点位置において、吸気側および排気側それぞれのピストン側傾斜面２１，２２とシリンダヘッド側傾斜面３７，３８との間の距離Ｂｉｎｔおよび距離Ｂｅｘｈは、互いに略等しい。
【００４６】
これにより、図１４の（ａ）に示すように、部分負荷域のような中高回転時の成層燃焼域では、吸気側スキッシュエリアにより生成されるスキッシュ流Ｓ１と、排気側スキッシュエリアにより生成されるスキッシュ流Ｓ２の強さが互いにほぼ等しくなる。従って、双方のスキッシュ流の差により生じる強スキッシュ流側から弱スキッシュ流側に向かうガス流動が非常に少なくなり、吸気ポート３で形成される順タンブル流は、変化することはなく、ガス流動のサイクルばらつきが防げ、安定した成層燃焼運転が得られる。これに対し、図１４の（ｂ）に示すように、例えば、排気側のスキッシュ流Ｓ２が強いような場合には、タンブル流が抑制され、かつ燃料噴霧が点火プラグ７近傍に到達しにくくなる。
【００４７】
図１５は、ピストン１とペントルーフ形燃焼室８との相対的な関係をやや異ならせた実施例を示している。
【００４８】
この実施例においては、窪み部以外の凸部１４における吸気側の傾斜面２１と排気側の傾斜面２２は、シリンダヘッド１１に凹設されたペントルーフ形燃焼室８における吸気側傾斜面３７と排気側傾斜面３８に各々略平行となるように設定されている。つまり、ピストン１の吸気側の傾斜面２１の角度Ｐｉｎｔとペントルーフ形燃焼室８の吸気側傾斜面３７の角度θｉｎｔは略等しく、ピストン１の排気側の傾斜面２２の角度Ｐｅｘｈとペントルーフ形燃焼室８の排気側傾斜面３８の角度θｅｘｈは略等しい。一方、ピストン外形部１ｂから底面２８の排気側切欠開始点２８ｃまでの長さＬｅｘｈは、吸気側のピストン外形部１ａから底面２８の吸気側切欠開始点２８ｂまでの長さＬｉｎｔと僅かに異なっている。また、ピストン１の上死点位置における、吸気側および排気側それぞれのピストン側傾斜面２１，２２とシリンダヘッド側傾斜面３７，３８との間の距離Ｂｉｎｔおよび距離Ｂｅｘｈは、互いに僅かに異なっている。そして、吸気側と排気側とにおける上記の長さの比（Ｌｉｎｔ／Ｌｅｘｈ）と、上記の距離の比（Ｂｉｎｔ／Ｂｅｘｈ）とが、互いに略等しく設定されている。
【００４９】
このような関係においても、図１３、図１４記載のものと同様に、吸気側と排気側とでスキッシュ流の強さが等しくなり、同様の作用効果が得られる。
【００５０】
図１６は、凸部１４の構成について説明している。
【００５１】
この図１６に示すように、凸部１４は、吸気側の傾斜面２１と排気側の傾斜面２２とが交わる頂部に水平面２３を備えているが、ピストン上死点位置で、この水平面２３とペントルーフ形燃焼室８の頂部（稜線部）８ａとの距離Ｃが、上述した吸気側および排気側における傾斜面間の距離Ｂｉｎｔ、Ｂｅｘｈよりも大きく設定されている。さらに、ペントルーフ形燃焼室８の頂部（稜線部）８ａから点火プラグ７の中心電極４０の先端位置までの距離Ｄｐよりも、上記の距離Ｃが小さくなるように設定されている。
【００５２】
これにより、図１７の（ａ）および（ｃ）に示すように、吸気側スキッシュエリアにより生成されるスキッシュ流Ｓ１と、排気側スキッシュエリアにより生成されるスキッシュ流Ｓ２とが、水平面２３の上の間隙に向かって進むようになり、窪み部の側面２９を横切って窪み部内に側方から流入するガスが少なくなる。従って、部分負荷条件のような中高回転時の成層燃焼領域において、吸気ポート３により形成される順タンブル流は、変化することはなく、良好な成層燃焼が得られる。これに対し、水平面２３部分の間隙が小さいと、図１７の（ｂ）および（ｄ）に示すように、スキッシュ流が側方から窪み部内に流入する。つまり、タンブル流の旋回面に対し直交する方向のガス流動が生じ、タンブル流が阻害されて、サイクルばらつきが大きくなるとともに、燃料噴霧の貫徹力が低下し、成層燃焼が不安定となる。
【００５３】
また、上記のように間隙となる距離Ｃが点火プラグ７の点火位置までの距離Ｄｐよりも小さいことから、ピストン上死点で点火プラグ７の中心電極４０先端が窪み部内に囲まれることになり、成層化した燃料に確実に点火が行われる。
【００５４】
図１８および図１９は、浅皿形燃焼室２となる窪み部の大きさと噴霧外形角との関係を説明している。
【００５５】
これらの図に示すように、燃料は燃料噴射弁６から所定の外形角φでもって噴射されるのであるが、略長方形の窪み部からなる浅皿形燃焼室２の幅を、成層運転条件の噴霧外形角φがその幅の範囲内に納まるように設定してある。すなわち、成層運転条件の噴霧外形角をφ、点火プラグ７と燃料噴射弁６噴口点との距離をＦとすると、浅皿形燃焼室２の片側の幅Ｅは、Ｆ×ｔａｎ（φ／２）と略等しい。
【００５６】
これにより、成層燃焼領域において、燃料噴霧の横方向への分散が防止され、燃料噴霧はプラグ７近傍に集中するため、安定した燃焼が得られる。
【００５７】
図２０〜図２２は、浅皿形燃焼室２の側方の角部をＲ形状とした実施例を示している。
【００５８】
図示するように、この実施例では、浅皿形燃焼室２の底面２８と側面２９とが交わる角部４１が適宜な曲率のＲ形状となっている。
【００５９】
機関の運転条件が、アイドル条件のような低回転時の成層燃焼領域では、前述したように、燃料噴霧が浅皿形燃焼室２の底面２８に衝突するが、この実施例の構成によれば、燃料噴霧の横方向についても、噴霧の下端部が上記角部４１に衝突したときに、該角部４１のＲ形状により、点火プラグ７のある燃焼室８上方を指向して反射するようになる。従って、ガス流動が弱い低回転の運転域にあっても、噴霧は点火プラグ７近傍に一層集中しやすくなる。また、上記角部４１は、圧縮比調整のためのボリュウム調整代として用いることができる。
【００６０】
図２３〜図２６は、前述した各パラメータが成層運転時の安定性に及ぼす影響を示したものである。いずれも前述した条件を満たすパラメータの範囲を「要求範囲」として示している。
【００６１】
図２３は、図７で説明した角度αとアイドル時の燃焼安定性との関係を示しており、図２４は、図９で説明した角度β，γと部分負荷時の燃焼安定性との関係を示している。また、図２５は、図１１で説明した長さＬｉｎｔとアイドル時の燃焼安定性との関係を示している。さらに、図２６は、図１６で説明した距離Ｃと成層運転時の燃焼安定性との関係を示している。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の筒内直接噴射式火花点火機関を示す断面図。
【図２】この発明に係る筒内直接噴射式火花点火機関を示す断面図。
【図３】この機関の１つの気筒を上方から見た状態で示す説明図。
【図４】この機関に用いられるピストンの平面図。
【図５】図４のＺ−Ｚ線に沿った断面図。
【図６】この発明における成層運転時の噴霧形成状態を示す説明図であって、（ａ）は部分負荷時の状態、（ｂ）はアイドル時の状態、をそれぞれ示す説明図。
【図７】曲率半径Ｒの下限値を説明するための説明図。
【図８】この曲率半径Ｒによる噴霧の反射状態を示す説明図。
【図９】曲率半径Ｒの上限値を説明するための説明図。
【図１０】この曲率半径Ｒによるタンブル流への影響を示す説明図。
【図１１】窪み部の深さに関連する吸気側の切欠開始点の位置についての説明図。
【図１２】この吸気側の切欠開始点の噴霧への影響を示す説明図。
【図１３】ピストンの凸部とペントルーフ形燃焼室との関係を示す説明図。
【図１４】この図１３の関係によるスキッシュ流の影響を示す説明図。
【図１５】ピストンの凸部とペントルーフ形燃焼室との関係の異なる実施例を示す説明図。
【図１６】ピストンの凸部の稜線部分とシリンダヘッド側との関係を示す説明図。
【図１７】この凸部の稜線部分の関係によるスキッシュ流の影響を示す説明図。
【図１８】窪み部の幅について説明するピストンの平面における説明図。
【図１９】同じく断面における説明図。
【図２０】角部をＲ形状としたピストンの平面図。
【図２１】図２０のＹ１−Ｙ１線、Ｙ２−Ｙ２線、Ｙ３−Ｙ３線に沿った断面図。
【図２２】同ピストンの斜視図。
【図２３】角度αとアイドル時の燃焼安定性との関係を示す特性図。
【図２４】角度β，γと部分負荷時の燃焼安定性との関係を示す特性図。
【図２５】長さＬｉｎｔとアイドル時の燃焼安定性との関係を示す特性図。
【図２６】距離Ｃと成層運転時の燃焼安定性との関係を示す特性図。
【符号の説明】
１…ピストン
２…浅皿形燃焼室
３…吸気ポート
６…燃料噴射弁
７…点火プラグ
８…ペントルーフ形燃焼室
９…タンブル制御弁
【図１】
0003721879.tif 000002
【図２】
0003721879.tif 000003
【図３】
0003721879.tif 000004
【図４】
0003721879.tif 000005
【図５】
0003721879.tif 000006
【図６】
0003721879.tif 000007
【図７】
0003721879.tif 000008
【図８】
0003721879.tif 000009
【図９】
0003721879.tif 000010
【図１０】
0003721879.tif 000011
【図１１】
0003721879.tif 000012
【図１２】
0003721879.tif 000013
【図１３】
0003721879.tif 000014
【図１４】
0003721879.tif 000015
【図１５】
0003721879.tif 000016
【図１６】
0003721879.tif 000017
【図１７】
0003721879.tif 000018
【図１８】
0003721879.tif 000019
【図１９】
0003721879.tif 000020
【図２０】
0003721879.tif 000021
【図２１】
0003721879.tif 000022
【図２２】
0003721879.tif 000023
【図２３】
0003721879.tif 000024
【図２４】
0003721879.tif 000025
【図２５】
0003721879.tif 000026
【図２６】
0003721879.tif 000027