(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型燃焼室に２つの吸気弁および２つの排気弁を有するとともに、シリンダ略中央に点火プラグを有し、かつ、シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁がシリンダ略中央を指向した姿勢で吸気弁側に配置され、圧縮行程付近でピストン頂部へ向けて燃料噴射を行うことにより成層燃焼を実現するようにした筒内噴射式内燃機関のピストンにおいて、
上記ペントルーフ型燃焼室の排気弁側の傾斜面に略平行となるように傾斜した排気弁側傾斜面およびペントルーフ型燃焼室の吸気弁側の傾斜面に略平行となるように傾斜した吸気弁側傾斜面を有する頂部の凸部と、ピストン外形円に対し吸気弁側に偏心した位置に凹設され、かつ上記点火プラグがその外周部に位置する円形のボウルと、このボウルの開口縁の点火プラグ近傍部分に部分的に設けられ、かつボウル内周側へ突出した庇部と、を備え、上記庇部は、圧縮行程中に噴射された燃料噴霧がボウル底部に衝突する際の干渉範囲よりも狭い角度範囲に形成されていることを特徴とする筒内噴射式内燃機関のピストン。
【請求項２】
上記庇部は、その下面がボウル側壁面に対し所定の角度で折れ曲がった状態となるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の筒内噴射式内燃機関のピストン。
【請求項３】
上記庇部は、その下面がボウル側壁面に滑らかに連続したリエントラント形状をなしていることを特徴とする請求項１記載の筒内噴射式内燃機関のピストン。
【請求項４】
シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ型燃焼室に２つの吸気弁および２つの排気弁を有するとともに、シリンダ略中央に点火プラグを有し、かつ、シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁がシリンダ略中央を指向した姿勢で吸気弁側に配置され、圧縮行程付近でピストン頂部へ向けて燃料噴射を行うことにより成層燃焼を実現するようにした筒内噴射式内燃機関のピストンにおいて、
上記ペントルーフ型燃焼室の排気弁側の傾斜面に略平行となるように傾斜した排気弁側傾斜面およびペントルーフ型燃焼室の吸気弁側の傾斜面に略平行となるように傾斜した吸気弁側傾斜面を有する頂部の凸部と、ピストン外形円に対し吸気弁側に偏心した位置に凹設され、かつ上記点火プラグがその外周部に位置する円形のボウルと、このボウルの側壁面の点火プラグ下方部分に設けられ、かつボウル底部からボウル開口縁に延びるとともに、点火プラグと燃料噴射弁とを結ぶ線に沿った稜線を有する突条部と、を備え、圧縮行程中に、上記燃料噴射弁からボウル底部へ向かって上記突条部を含む範囲に燃料が噴射されることを特徴とする筒内噴射式内燃機関のピストン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガソリン機関に代表される筒内噴射式内燃機関のピストン、特に、圧縮行程付近でピストン頂部へ向けて燃料噴射を行うことにより成層燃焼を実現するようにした筒内噴射式内燃機関のピストンの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
全開出力時等にシリンダ内に略均質な空燃比の混合気を形成していわゆる均質燃焼を行うとともに、低負荷域では、シリンダ内の一部つまり点火プラグ近傍のみに比較的濃い混合気を形成して平均的な空燃比を非常に大きく得るようした成層燃焼を行う筒内噴射式内燃機関が従来から種々提案されている。
【０００３】
成層希薄燃焼を可能とした筒内噴射式内燃機関のピストンとしては、例えば、特開平６−２０７５４２号公報に記載のものが知られている。この公報に記載の内燃機関は、ピストンの頂部に、ピストン外形円に対し偏心した非円形のボウル（キャビティ）が形成されているとともに、ピストン上死点付近において該ボウルへ向けて燃料を噴射供給できるように燃料噴射弁が配置されている。
【０００４】
つまり、この公報の内燃機関では、希薄燃焼時には、シリンダ内にスワールを形成し、かつ圧縮上死点付近でボウル内に燃料を噴射することにより、ボウル内で可燃混合気が形成され、点火プラグ近傍に運ばれる。従って、適宜な時期に点火を行うことにより、着火燃焼に至ることになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように成層希薄燃焼を実現するために、頂部にボウルを凹設し、圧縮行程付近で該ボウルへ向けて燃料噴射を行うようにした従来の筒内噴射式内燃機関のピストンにおいては、燃料噴射弁から噴射された燃料の中で、粒径が大きく従って貫徹力が大きな燃料液滴が、ボウル底部に衝突して上方へ跳ね返り、点火プラグに液状のまま衝突付着してしまう、という問題がある。つまり、点火プラグ先端が燃料液滴によって濡れてしまい、失火しやすくなり、燃焼が不安定となる不具合がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る筒内噴射式内燃機関のピストンは、シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ型燃焼室に２つの吸気弁および２つの排気弁を有するとともに、シリンダ略中央に点火プラグを有し、かつ、シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁がシリンダ略中央を指向した姿勢で吸気弁側に配置され、圧縮行程付近でピストン頂部へ向けて燃料噴射を行うことにより成層燃焼を実現するようにした筒内噴射式内燃機関のピストンにおいて、
上記ペントルーフ型燃焼室の排気弁側の傾斜面に略平行となるように傾斜した排気弁側傾斜面およびペントルーフ型燃焼室の吸気弁側の傾斜面に略平行となるように傾斜した吸気弁側傾斜面を有する頂部の凸部と、ピストン外形円に対し吸気弁側に偏心した位置に凹設され、かつ上記点火プラグがその外周部に位置する円形のボウルと、このボウルの開口縁の点火プラグ近傍部分に部分的に設けられ、かつボウル内周側へ突出した庇部と、を備え、上記庇部は、圧縮行程中に噴射された燃料噴霧がボウル底部に衝突する際の干渉範囲よりも狭い角度範囲に形成されていることを特徴としている。
【０００７】
上記の構成では、吸気弁側傾斜面と排気弁側傾斜面とを有するピストン頂部の凸部が、ピストン上死点において、シリンダヘッド側の燃焼室内に入り込むようになっており、両者間の空間は非常に小さなものとなる。成層燃焼時には、例えば一方の吸気ポートを閉じる等の手段によって、シリンダ内にスワールが生成される。このスワールは、ピストンの上昇に伴ってボウル内に封じ込められる。そして、上死点近傍で燃料がボウルへ向けて噴射されることにより、ボウル内に点火可能な比較的濃い混合気が生成され、かつこれがスワールの旋回に伴って点火プラグ付近へ向うので、成層希薄燃焼を実現できる。ここで、燃料噴射弁からシリンダ略中央の点火プラグへ向かって噴射された燃料噴霧は、ボウル底部、特に点火プラグの下方付近に衝突するが、貫徹力の大きな粒径の大きい液滴が底部で跳ね返って上方へ向おうとしても、ボウル内周側へ張り出した庇部によって阻止され、点火プラグへ衝突することがない。なお、ボウル底部に衝突して微粒化した燃料は、庇部両側から上方へ向うことができる
請求項１の発明をさらに具体化した請求項２の発明では、上記庇部は、その下面がボウル側壁面に対し所定の角度で折れ曲がった状態となるように形成されている。
【０００８】
つまり、ボウル側壁面から明確に折れ曲がった形の庇状に張り出しており、これにより、ボウル底面で反射した液滴が確実に受け止められる。
【０００９】
また請求項３の発明では、上記庇部は、その下面がボウル側壁面に滑らかに連続したリエントラント形状をなしている。
【００１０】
この構成では、ボウル底面で反射した液滴は、リエントラント形状をなす滑らかに連続した側壁面および庇部下面に沿ってボウル内周側へ向うようになり、点火プラグへの接触が回避されるとともに、ボウル外部への流出が抑制される。
【００１１】
また請求項４の発明は、シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ型燃焼室に２つの吸気弁および２つの排気弁を有するとともに、シリンダ略中央に点火プラグを有し、かつ、シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁がシリンダ略中央を指向した姿勢で吸気弁側に配置され、圧縮行程付近でピストン頂部へ向けて燃料噴射を行うことにより成層燃焼を実現するようにした筒内噴射式内燃機関のピストンにおいて、
上記ペントルーフ型燃焼室の排気弁側の傾斜面に略平行となるように傾斜した排気弁側傾斜面およびペントルーフ型燃焼室の吸気弁側の傾斜面に略平行となるように傾斜した吸気弁側傾斜面を有する頂部の凸部と、ピストン外形円に対し吸気弁側に偏心した位置に凹設され、かつ上記点火プラグがその外周部に位置する円形のボウルと、このボウルの側壁面の点火プラグ下方部分に設けられ、かつボウル底部からボウル開口縁に延びるとともに、点火プラグと燃料噴射弁とを結ぶ線に沿った稜線を有する突条部と、を備え、圧縮行程中に、上記燃料噴射弁からボウル底部へ向かって上記突条部を含む範囲に燃料が噴射されることを特徴としている。
【００１２】
すなわち、この発明では、圧縮行程付近で噴射された燃料は、上記突条部に衝突し、その稜線を中心として左右へ向うように反射する。従って、上方つまり点火プラグ側へ向う液滴は非常に少なくなる。
【００１３】
【発明の効果】
この発明に係る筒内噴射式内燃機関のピストンによれば、圧縮行程付近で燃料噴射を行う成層燃焼時に、貫徹力の大きな液滴がボウル底部で反射して点火プラグを濡らすことがなく、この点火プラグの濡れによる失火やくすぶり、燃焼の不安定化を防止することができる。
【００１４】
また、請求項４の構成によれば、ボウルの加工時にアンダーカットとなる部分がないので、鋳造や機械加工等によるボウルの形成が容易となる利点がある。
【００１５】
【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詳細に説明する。
【００１６】
始めに、この発明のピストン４が用いられる筒内噴射式内燃機関の構成を図１および図２に基づいて説明する。図示するように、シリンダブロック１には、複数のシリンダ３が直列に配置されており、その上面を覆うように、シリンダヘッド２が固定されている。上記シリンダ３内には、ピストン４が摺動可能に嵌合している。また、上記シリンダヘッド２に凹設された燃焼室１１は、いわゆるペントルーフ型に構成されており、その一方の傾斜面１１ａに一対の吸気弁５が、他方の傾斜面１１ｂに一対の排気弁６がそれぞれ配置されている。そして、これらの一対の吸気弁５および一対の排気弁６によって囲まれたシリンダ３の略中心位置に、点火プラグ７が配置されている。
【００１７】
上記シリンダヘッド２には、一対の吸気弁５にそれぞれ対応する一対の吸気ポート８が、互いに独立して形成されている。つまり、この一対の吸気ポート８は、シリンダヘッド２内で合流せず、それぞれシリンダヘッド２側面において独立して開口している。また上記排気弁６に対応して排気ポート９が形成されている。
【００１８】
略円筒状をなす電磁式燃料噴射弁１０は、吸気弁５側のシリンダ３側壁寄りのシリンダヘッド２下面部に配置されており、その中心軸が斜め下方へ向かった姿勢で取り付けられている。特に、図２に示すように、上記燃料噴射弁１０は、２つの吸気弁５の間に配置され、点火プラグ７が位置するシリンダ３中心ヘ噴霧軸線が指向している。
【００１９】
上記シリンダ３内に配置されたピストン４の頂部には、後述するように、吸気弁５側に偏心した位置に、円形のボウル１２が形成されており、ピストン４が上死点近傍にあるときに、上記燃料噴射弁１０の噴霧軸線がこのボウル１２を指向するようになっている。
【００２０】
上記の一対の吸気ポート８は、それぞれ吸気マニホルド１３側に独立して形成された一対の吸気通路１４ａ，１４ｂに接続されている。そして、一方の吸気通路１４ｂ内には、該吸気通路１４ｂを開閉するバタフライバルブ型の空気制御弁１５が介装されている。この空気制御弁１５は、シャフト１６を介して図示せぬ駆動機構により機関運転条件に応じて開閉制御される。なお、上記空気制御弁１５が閉じた状態では、他方の吸気通路１４ａに連なる吸気ポート８のみを通して新気が流入するのであるが、この吸気ポート８は、ヘリカルポートではなく、緩く湾曲した略直線状のポート形状をなしている。
【００２１】
上記の内燃機関の基本的な作用について簡単に説明すると、先ず、機関の全負荷時あるいは希薄燃焼域の中でも比較的空燃比が小さな領域では、シリンダ３内に均質な混合気を形成して点火する均質燃焼が行われる。この均質燃焼時には、上記空気制御弁１５は、開状態に制御され、一対の吸気ポート８の双方からシリンダ３内へ新気が導入される。これにより、シリンダ３内には、強いタンブル流（縦渦）が生成される。また、燃料は、吸気行程中にシリンダ３内に噴射供給される。この燃料は、タンブル流によってシリンダ３内で積極的に拡散され、ボウル１２内に滞留することなく均質化が促進される。
【００２２】
一方、低負荷域で、かつ空燃比を非常に大きくする希薄燃焼域では、混合気の成層化により確実な着火を可能とする成層希薄燃焼を行う。この成層希薄燃焼時には、上記空気制御弁１５が閉じられ、一方の吸気ポート８のみからシリンダ３内に新気が流入する。これにより、シリンダ３内では、タンブル成分が相対的に弱められ、かつ水平方向に沿ったスワール流が強く生成される。そして、この成層希薄燃焼の際には、燃料は、圧縮行程の後半において燃料噴射弁１０からボウル１２へ向けて噴射される。この噴射された燃料は、ピストン４頂部のボウル１２内に封じ込められたスワール流に乗って点火プラグ７側へ移動し、点火プラグ７周辺に着火可能な混合気を形成するので、適宜なタイミングで点火することにより、着火燃焼が可能となる。
【００２３】
次に、図３〜図７に基づいて、第１実施例に係るピストン４の構成、特にその頂部の構成を詳細に説明する。
【００２４】
このピストン４においては、上死点において、ボウル１２がシリンダ３内の空間の大部分を占めるように、頂面に凸部２１が設けられている。この凸部２１は、基本的に４つの面から構成されている。すなわち、シリンダヘッド２側のペントルーフ型燃焼室１１を構成する２つの傾斜面１１ａ，１１ｂに対し略平行な平面からなる吸気弁側傾斜面２２および排気弁側傾斜面２３と、ピストン４の外形円と同心の円錐面からなる一対の円錐形側面２４，２５とによって、凸部２１が構成されている。
【００２５】
上記凸部２１における円錐形側面２４，２５の円錐の頂角は、比較的小さく、図４に示すように、円錐形側面２４，２５は、切り立ったものとなっている。そして、これに伴い、凸部２１の尾根部分はピストンピン軸方向に沿ってピストン４外形円近くまで延びている。これによって、ピストン４が上死点にあるときに、上記円錐形側面２４，２５とシリンダヘッド２側燃焼室１１との間に生じるクリアランスが非常に小さなものとなっており、シリンダ３内に残る容積の大部分をボウル１２が占有する。
【００２６】
また、上記のボウル１２が、上記吸気弁側傾斜面２２を中心とした範囲に凹設されている。上記ボウル１２は、ピストン４の平面上で見て真円形をなし、かつピストン４の半径よりも僅かに大きい直径を有していて、その一部が排気弁側傾斜面２３に差しかかっている。そして、底面１２ａがピストン４中心線と直交する面に沿っているとともに、内周の側壁面１２ｂが上方へテーパ状に立ち上がった皿形をなしている。また図５に示すように、ピストン４が上死点にあるときに、点火プラグ７がボウル１２内に入り、かつその外周部に位置するように配置されている。
【００２７】
ここで、上記ボウル１２の開口縁の一部、詳しくは点火プラグ７に近接するとともに燃料噴射弁１０に対向する部分には、内周側に突出した庇部３１が設けられている。この庇部３１は、先端がボウル１２外周円と同心円をなすように一定の突出幅を有し、かつ排気弁側傾斜面２３に沿って、つまり上面が排気弁傾斜面２３に連続した平面をなすように、斜めに張り出しており、また下面３１ａも上記排気弁傾斜面２３と平行となるように傾斜している。従って、図５に明らかなように、庇部３１下面３１ａは、ボウル１２の側壁面１２ｂに対し所定の角度で折れ曲がった状態となるように接続されている。また、庇部３１の左右両端の端縁は、ボウル１２の半径方向に略沿った形となっている。
【００２８】
なお、上記庇部３１の形成範囲は、点火プラグ７の背部を十分に覆い得る大きさであるとともに、図３に示すように、圧縮行程中に噴射された燃料噴霧Ｆがボウル１２底部に衝突する際の干渉範囲よりも多少狭い角度範囲となっている。
【００２９】
上記の構成においては、成層燃焼時にシリンダ３内に生成されたスワールが、ピストン４の上昇に伴って、真円形をなすボウル１２内にスムースに案内され、十分な強さを保ったまま保存される。そして、圧縮行程後半においてボウル１２へ向けて燃料が噴射された後、ピストン４が上死点に近づくと、ボウル１２を有する凸部２１の各面が、シリンダヘッド２側の対応する面にそれぞれ近接するため、ボウル１２が全周に亙って良好にシールされた状態となる。従って、ボウル１２内のスワールや混合気が外部へ漏出せずに該ボウル１２内で燃焼が進行する。ここで、燃料噴射弁１０からボウル１２内へ向かって噴射された燃料噴霧の多くは、ボウル１２底部に滞留し、かつここで気化するが、粒径が大きく貫徹力の大きな燃料液滴は、図５に矢印Ｆ１として示すように、ボウル１２底面１２ａで衝突反射して上方へ向おうとする。しかしながら、この実施例では、上方へ向おうとした燃料液滴は、庇部３１によって阻止され、矢印Ｆ２のように、ボウル１２内側へ落ちる。従って、点火プラグ７の濡れやそれに伴う失火やくすぶりが防止される。なお、庇部３１は点火プラグ７近傍のみに設けられているので、微細な液滴は、図６に示すように、庇部３１の両側を通って上方へ向い、かつ図３の矢印Ｆ３のように点火プラグ７近傍に供給される。
【００３０】
次に、図８〜図１２は、この発明に係るピストン４の第２実施例を示している。
【００３１】
この実施例においては、ボウル１２開口縁に形成された庇部３１がリエントラント形状をなしており、図１０に明らかなように、その下面３１ａがボウル１２側壁面１２ｂに滑らかに連続している。また、この庇部３１は、ボウル１２径方向の突出量が、点火プラグ７背部で最大となるように徐々に変化しており、図８に示すように、平面図上においては、庇部３１先端縁が、円の弦に近似した形状をなしている。
【００３２】
この実施例においては、粒径が大きく貫徹力の大きな燃料液滴は、図１０に矢印Ｆ４として示すように、滑らかに連続した側壁面１２ｂおよび庇部３１下面３１ａに沿ってボウル１２内周側へ向い、点火プラグ７に付着することがない。特に、この実施例では、上記第１実施例に比べて、貫徹力の大きな液滴に対しボウル１２内周側へ向う速度成分が積極的に付与されるので、ボウル１２外部への流出を最小限に抑制できる。なお、この実施例でも、微細な液滴は、図１１に示すように、庇部３１の両側を通って上方へ向い、かつ図８の矢印Ｆ３のように点火プラグ７近傍に供給される。
【００３３】
図１３〜図１７は、この発明に係るピストン４の第３実施例を示している。
【００３４】
この実施例においては、燃料噴射弁１０が対向するボウル１２の側壁面１２ｂに、ボウル１２底部からボウル１２開口縁に延びる突条部４１が設けられている。つまり、この突条部４１は、点火プラグ７の背部に沿って形成されており、かつ、ボウル１２内側へ向って、断面が山型もしくは椀型をなすように突出している。そして、この突条部４１の稜線４１ａは、ボウル１２の半径方向に沿っており、特に、点火プラグ７と燃料噴射弁１０とを結ぶ線（図１３のＢ−Ｂ線）に沿っている。なお、突条部４１の断面形状が椀型のように湾曲している場合には、この稜線４１ａは、必ずしも明確な折れ線としては現れない。
【００３５】
この実施例では、燃料噴射弁１０から圧縮行程付近でボウル１２へ噴射された燃料は、点火プラグ７下方の上記突条部４１に衝突する。この燃料噴霧の中で粒径が大きく貫徹力が大きな液滴は、この衝突に伴い、突条部４１の稜線４１ａを中心として左右へ向うように反射する。つまり、図１３および図１４に矢印Ｆ５として示すように、点火プラグ７を中心として左右に別れ、点火プラグ７側へ直接向う液滴は非常に少なくなる。従って、上述した各実施例と同様に点火プラグ７の濡れを回避でき、失火やくすぶりを防止できる。
【００３６】
そして、この実施例によれば、ボウル１２の加工時に庇部のようなアンダーカットとなる部分がないので、上述した第１実施例や第２実施例に比べて、鋳造や鍛造あるいは機械加工等によるボウル１２の形成が容易となる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る筒内噴射式内燃機関の構成を示す縦断面図。
【図２】シリンダヘッドを下面側から見た状態を示す底面図。
【図３】この発明に係るピストンの第１実施例を示す平面図。
【図４】図３のＡ−Ａ線に沿った断面図。
【図５】図３のＢ−Ｂ線に沿った断面図。
【図６】図３のＣ−Ｃ線に沿った断面図。
【図７】この第１実施例のピストンの斜視図。
【図８】この発明に係るピストンの第２実施例を示す平面図。
【図９】図８のＡ−Ａ線に沿った断面図。
【図１０】図８のＢ−Ｂ線に沿った断面図。
【図１１】図８のＣ−Ｃ線に沿った断面図。
【図１２】この第２実施例のピストンの斜視図。
【図１３】この発明に係るピストンの第３実施例を示す平面図。
【図１４】図１３のＡ−Ａ線に沿った断面図。
【図１５】図１３のＢ−Ｂ線に沿った断面図。
【図１６】図１３のＣ−Ｃ線に沿った断面図。
【図１７】この第３実施例のピストンの斜視図。
【符号の説明】
４…ピストン
１２…ボウル
２１…凸部
２２…吸気弁側傾斜面
２３…排気弁側傾斜面
３１…庇部
４１…突条部
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
0003692747.tif 000016
【図１６】
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【図１７】
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