(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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式エンジンにおいて、
頂面がペントルーフ型に傾斜したピストンと、
気筒内に吸気が旋回するスワールを生起するスワール生起手段を備え、
ピストンの頂面にスワールの旋回方向に沿って深さを増しながら渦巻き状に窪むキャビティを形成し、
前記キャビティの深さが浅い側を上流側、深い側を下流側とした場合に、キャビティの最深部となる下流端にはピストン頂面の峰に沿って直線状に延びる外郭によって壁面を画成し、
点火栓をキャビティの最深部に対向するように配置し、
インジェクタの燃料噴射方向をキャビティに対向するように、かつ前記壁面に対向しないように配置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。
【請求項２】
前記吸気ポートとして共通の気筒に開口する第一吸気ポートと第二吸気ポートを備え、
第二吸気ポートをキャビティの上流側に対向するように配置し、
前記スワール生起手段として第一吸気ポートから気筒内に導入される吸気量を調節するコントロールバルブを備え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。
【請求項３】
前記スワール生起手段を介してエンジン負荷が低下するのに伴って気筒内に生起されるスワールの勢力を高める制御手段を備え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。
【請求項４】
前記渦巻き状に窪むキャビティを、その流路断面積が上流端から下流端に向けて略一定となるように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。
【発明の詳細な説明】
【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２−１２５９１１号公報に開示されたものは、ピストン頂面に窪むキャビティが形成され、キャビティに向けて燃料を噴射するインジェクタを備えるとともに、キャビティに臨む点火栓を備える。
【０００４】
このエンジンは、低負荷時に気筒内に生起されるスワールを強めるとともに、燃料噴射圧を低く調節して、キャビティに燃料を噴射することにより、燃料を点火栓の近傍に集めるようになっている。
【０００５】
高負荷域に気筒内に生起されるスワールを弱めるとともに、燃料噴射圧を高く調節して、ピストン頂面上に燃料を噴射するようになっている。
【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、燃料噴射圧を運転条件に応じて調節する必要があり、構造の複雑化を招くという問題点が考えられる。
【０００７】
また、低負荷時にキャビティに燃料を噴射しても、燃料を点火栓の近傍に十分に集めることが難しく、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値が制限され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燃焼室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式エンジンにおいて、
頂面がペントルーフ型に傾斜したピストンと、
気筒内に吸気が旋回するスワールを生起するスワール生起手段を備え、
ピストンの頂面にスワールの旋回方向に沿って深さを増しながら渦巻き状に窪むキャビティを形成し、
前記キャビティの深さが浅い側を上流側、深い側を下流側とした場合に、キャビティの最深部となる下流端にはピストン頂面の峰に沿って直線状に延びる外郭によって壁面を画成し、
点火栓をキャビティの最深部に対向するように配置し、
インジェクタの燃料噴射方向をキャビティに対向するように、かつ前記壁面に対向しないように配置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。
【００１０】
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、
前記吸気ポートとして共通の気筒に開口する第一吸気ポートと第二吸気ポートを備え、
第二吸気ポートをキャビティの上流側に対向するように配置し、
前記スワール生起手段として第一吸気ポートから気筒内に導入される吸気量を調節するコントロールバルブを備える。
【００１１】
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、
前記スワール生起手段を介してエンジン負荷が低下するのに伴って気筒内に生起されるスワールの勢力を高める制御手段を備える。
【００１２】
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、
前記渦巻き状に窪むキャビティを、その流路断面積が上流端から下流端に向けて略一定となるように形成する。
【００１３】
【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、吸気バルブが開かれるのに伴って各吸気ポートから気筒内に空気が吸入される。ピストンが下降する吸入行程で気筒内に流入する吸気流は、シリンダ壁およびキャビティに沿って旋回するスワールを生起する。
【００１４】
ピストンが下降する吸入行程中にインジェクタが開弁し、気筒内に燃料が噴射される。ピストンの頂面に渦巻き状に窪むキャビティは、その深さがスワールの旋回方向について上流側より下流側で大きくなっているため、ピストンが上昇するのに伴って、インジェクタから噴射された燃料がスワールによってキャビティに集められる。
【００１５】
気筒内の混合気がピストンで圧縮された状態で点火栓を介して燃料を着火燃焼させる。点火栓がキャビティの最深部に対向するように配置されているため、キャビティを介して高濃度の混合気を点火栓の近傍に集められ、混合気の成層化がはかれる。こうして燃料を点火栓の近傍に集中させることにより、着火が確実に行われる。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。
【００１６】
インジェクタの燃料噴射方向をキャビティに対向するように、かつ前記壁面に対向しないように配置したため、ピストンが下降する吸入行程でインジェクタから噴射された燃料噴霧の大部分がキャビティ内に向かい、また、燃料噴霧が前記壁面に直接衝突することがない。
【００１７】
キャビティに噴射された燃料は、ピストンによって加熱され、その微粒化および気化が進み、高濃度の混合気がキャビティ内に溜まり、キャビティを介して高濃度の混合気を点火栓の近傍に集められる。
【００１８】
また、インジェクタの燃料噴射方向をキャビティに対向するように配置したため、インジェクタから噴射される燃料は、ピストンの頂面に窪むキャビティに拡がり、ピストンの頂面に当たって点火栓に跳ね返ることが抑えられる。このため、点火栓に液状燃料が直接的に付着することが防止され、失火を起こすことを回避できる。
【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、コントロールバルブを閉弁させると、各吸気バルブが開かれるのに伴って吸気の大部分は第二吸気ポートを通って気筒内に吸入される。第二吸気ポートを通って気筒内に流入する吸気流は、シリンダ壁及びキャビティに沿って旋回するスワールを生起する。
【００２０】
コントロールバルブを開弁させると、吸気は第一吸気ポートと第二吸気ポートに略均等に分流して気筒内に吸入され、スワールの勢力が弱められる反面、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。
【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、所定の低負荷域にコントロールバルブを閉弁させると、各吸気バルブが開かれるのに伴って吸気の大部分は、第二吸気ポートを通って気筒内に吸入される。第二吸気ポートを通って気筒内に流入する吸気流は、シリンダ壁およびキャビティに沿って旋回するスワールを生起する。請求項４に記載の直接筒内噴射式火花点火式エンジンにおいて、ピストン頂面に設けた渦巻き状に窪むキャビティを、その流路断面積が上流端から下流端に向けて略一定となるように形成するので、キャビティに沿って生起されるスワールの流速が低下することを防止できる。
【００２２】
ピストンが上昇するのに伴って、インジェクタから気筒内に噴射された燃料が吸気流とともにキャビティを介して点火栓の近傍に集められ、混合気の成層化がはかれる。こうして燃料を点火栓の近傍に集中させることにより、着火性が確保される。
【００２３】
所定の高負荷域でコントロールバルブを開弁させると、吸気は第一吸気ポートと第二吸気ポート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猿人の吸気充填効率を高められる。
【００２４】
第一吸気ポートを通って気筒内に流入する吸気流と第二吸気ポートを通って気筒内に流入する吸気流が互いに衝突し、気筒内に生起されるスワールの勢力は弱まるが、インジェクタの噴口から噴射された燃料噴霧の大部分がキャビティ内に向かい、高濃度の混合気がキャビティ内に溜まる。キャビティを介して高濃度の混合気を点火部の近傍に集めて、混合気の成層化がはかれ、着火性が確保される。
【００２５】
【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。
【００２６】
図２に示すように、ペントルーフ型に傾斜するシリンダヘッドの燃焼室天井壁に２つの吸気ポート１７，１８と２つの排気ポート（図示せず）が互いに対向して開口している。
【００２７】
ピストン１２の頂面もペントルーフ型に傾斜し、シリンダヘッドの燃焼室天井壁に略平行に対峙している。
【００２８】
燃焼室天井壁から燃焼室１４の中央部に点火栓３１の点火部３２が臨み、点火栓３１を挟むようにして２つの吸気バルブ１５，１６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。
【００２９】
燃焼室天井壁から燃焼室１４の中央部に臨むインジェクタ（電磁式燃料噴射弁）５が設けられる。インジェクタ５は各吸気バルブ１５，１６と各排気バルブの間に位置して燃焼室１４に臨んでいる。
【００３０】
図３のシステム図に示すように、４気筒エンジン１において、吸入空気はエアクリーナ３、インテークマニホールド２等で構成される吸気通路４を通って各気筒に吸入される一方、燃料はインジェクタ５より各気筒内に噴射供給される。
【００３１】
フューエルタンク９に貯溜された燃料は、低圧燃料ポンプ８を介して吸い上げられ、高圧燃料ポンプ７に送られる。高圧燃料ポンプ７は、加圧した燃料を蓄圧室６へと送り、蓄圧室６から各気筒のインジェクタ５に燃料を圧送する。高圧燃料ポンプ７から吐出される余剰燃料は燃料戻し通路１０を通ってリザーバタンク９へと戻される。
【００３２】
インジェクタ５の開弁期間（噴射パルス幅）を調節してインジェクタ５からの燃料噴射量を制御するコントロールユニット７０が設けられる。コントロールユニット７０は、アクセル開度センサ７３、クランク角センサ７２、燃料噴射圧センサ７１から送られ各検出信号を入力して、インジェクタ５の開弁期間を運転状態に応じて演算し、インジェクタ５の燃料噴射量を制御する。
【００３３】
スワール生起手段として、第一吸気ポート１７から気筒内に導入される吸気量を調節するコントロールバルブ２６が備えられる。コントロールバルブ２６が閉弁する運転状態では、吸気の大部分が第二吸気ポート１８から気筒内に流入することにより、気筒内には図１において反時計回り方向に旋回するスワールが生起される。
【００３４】
ピストン１２の頂面２０にはスワールの旋回方向に沿って渦巻き状に窪むキャビティ２９が形成される。キャビティ２９は円弧形に湾曲した外郭によって画成されている。キャビティ２９の下流端は、ペントルーフ形に傾斜したピストン１２の頂面の峰に沿って直線線状に延びる外郭によって画成される。キャビティ２９の上流端部はピストン１２の頂面の峰を削るようにして形成される。
【００３５】
第二吸気ポート１８は、シリンダ壁の接線方向に延び、キャビティ２９の上流側に対向するようにして燃焼室天井壁に開口している。
【００３６】
キャビティ２９はその深さがスワールの旋回方向について上流側より下流側で次第に大きくなるように形成される。キャビティ２９の最深部はピストン１２の中央部に位置している。
【００３７】
点火栓３１の点火部３２はキャビティ２９の最深部に対向するように配置される。
【００３８】
インジェクタ５の燃料噴射方向はキャビティ２９に対向するように配置される。すなわち、ピストン１２が下降する吸入行程で、インジェクタ５の噴口から噴射された燃料噴霧は、その大部分がキャビティ２９の方に向かうようになっている。
【００３９】
コントロールユニット２８は、図示しないアクチュエータを介してコントロールバルブ２６を運転条件に応じて開閉駆動する。コントロールユニット２８は、所定の低負荷域でコントロールバルブ２６を全閉し、所定の高負荷域でコントロールバルブ２６を全開する制御を行う。
【００４０】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００４１】
各吸気バルブ１５，１６が開かれるのに伴って各吸気ポート１７，１８から気筒内に空気が吸入される。ピストン１２が下降する吸入行程中にインジェクタ５が開弁し、燃焼室１４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３１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１２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１２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気ガスが排出される。これらの各行程が連続して繰り返される。
【００４２】
所定の低負荷域にコントロールバルブ２６が全閉すると、各吸気バルブ１５，１６が開かれるのに伴って吸気の大部分は、図４、図５に矢印で示すように、第二吸気ポート１８を通って気筒内に吸入される。第二吸気ポート１８を通って気筒内に流入する吸気流は、図７、図８に矢印で示すように、シリンダ壁およびキャビティ２９に沿って旋回するスワールを生起する。
【００４３】
一方、ピストン１２が下降する吸入行程で、インジェクタ５の噴口から噴射された燃料噴霧は、図４、図５に示すように、その大部分がキャビティ２９内に向かう。キャビティ２９に噴射された燃料は、ピストン１２によって加熱され、その微粒化および気化が進み、高濃度の混合気がキャビティ２９内に溜まる。
【００４４】
ピストン１２が上昇するのにしたがって、吸気流は図６、図７、図８に示すようにキャビティ２９に流入する。ピストン１２の頂面に渦巻き状に窪むキャビティ２９が点火栓３１の点火部３２に向けて深くなっているため、ピストン１２が上死点に近づくのにしたがって、キャビティ２９内の高濃度の混合気に点火部３２が近づき、混合気の成層化がはかれる。こうして燃料を点火部３２の近傍に集中させることにより、着火が確実に行われ、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。
【００４５】
インジェクタ５から噴射される燃料は、ピストン１２の頂面に窪むキャビティ２９に拡がることにより、ピストン１２の頂面に当たって点火部３２に跳ね返ることが抑えられ、点火部３２に液状燃料が直接的に付着することが防止され、失火を起こすことを回避できる。
【００４６】
所定の高負荷域でコントロールバルブ２６を全開すると、吸気は第一吸気ポート１７と第二吸気ポート１８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猿人の吸気充填効率を高められる。
【００４７】
第一吸気ポート１７を通って気筒内に流入する吸気流と第二吸気ポート１８を通って気筒内に流入する吸気流が互いに衝突し、気筒内に生起されるスワールの勢力は弱まるが、上記高負荷時と同様にインジェクタ５の噴口から噴射された燃料噴霧の大部分がキャビティ２９内に向かい、高濃度の混合気がキャビティ２９内に溜まる。キャビティ２９を介して高濃度の混合気を点火部３２の近傍に集めて、混合気の成層化がはかれ、着火性が確保される。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。
【００４８】
【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、ピストンの頂面に渦巻き状に窪むキャビティに沿ってスワールが生起され、キャビティの最深部に対向するように配置された点火栓の近傍に燃料を集められ、混合気の成層化がはかれる。こうして燃料を点火栓の近傍に集中させることにより、着火が確実に行われ、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。
【００４９】
また、インジェクタの燃料噴射方向をキャビティに対向するように、かつ前記壁面に対向しないように配置したため、高濃度の混合気がキャビティ内に溜まり、キャビティを介して高濃度の混合気を点火栓の近傍に集められるとともに、点火栓に液状燃料が直接的に付着することが防止され、失火を起こすことを回避できる。
【００５０】
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、コントロールバルブを介してシリンダ壁およびキャビティに沿って旋回するスワールが生起され、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。
【００５１】
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、エンジン負荷に応じてシリンダ壁およびキャビティに沿って旋回するスワールが生起され、混合気の成層化がはかれ、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。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、ピストン頂面に設けた渦巻き状に窪むキャビティを、その流路断面積が上流端から下流端に向けて略一定となるように形成するので、キャビティに沿って生起されるスワールの流速が低下することを防止し、確実に混合気を成層化し、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ピストン等の概略平面図。
【図２】同じくエンジンの概略正面図。
【図３】同じく燃料供給系のシステム図。
【図４】同じく吸入行程における吸気と燃料の様子を示す概略正面図。
【図５】同じく吸入行程における吸気と燃料の様子を示す概略平面図。
【図６】同じく圧縮行程における吸気と燃料の様子を示す概略正面図。
【図７】同じく圧縮行程における吸気と燃料の様子を示す概略平面図。
【図８】同じく圧縮行程における吸気と燃料の様子を示す斜視図。
【符号の説明】
５  インジェクタ
１２  ピストン
１４  燃焼室
１７  第一吸気ポート
１８  第二吸気ポート
２６  コントロールバルブ
２８  コントロールユニット
２９  キャビティ
３１  点火栓
【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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【図６】
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【図７】
0003674135.tif 000008
【図８】
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