(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン頂面とシリンダヘッド下面との間に形成された燃焼室の吸気側壁面に配設された燃料噴射弁により燃焼室内に燃料噴霧を直接噴射し、燃焼室のピストン頂面と対向する壁面の略中央部に配設された点火プラグによって火花点火を行う筒内噴射式内燃機関において、
前記燃焼室内に吸気のスワール流を発生させるスワール流発生手段を、吸気通路に設けると共に、前記ピストン頂面であって燃料噴射弁と点火プラグとを結ぶ線下の位置に略円柱形状のキャビティを陥凹形成し、前記キャビティの側壁高さを、燃料噴射弁と点火プラグとを結ぶ線を基準として、ピストン周方向に沿って流れる吸気スワール流の下流側より上流側が低くなるように形成したことを特徴とする筒内噴射式内燃機関。
【請求項２】
前記スワール流発生手段は、吸気通路に介装されたスワールコントロールバルブから構成され、該スワールコントロールバルブは、バルブ本体と、該バルブ本体を吸気通路に回動自由に支承する回動支軸とから構成され、前記バルブ本体には、その一部を切除して開口部が形成された構成である請求項１記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項３】
前記キャビティの少なくとも前記吸気スワール流の上流側の側壁高さは、該吸気スワール流の下流方向に徐々に高くなるように形成された構成である請求項１又は２記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項４】
前記キャビティの少なくとも前記吸気スワール流の上流側の内底面は、該吸気スワール流の下流方向に徐々に低位となる傾斜面に形成された構成である請求項１〜３のいずれか１つに記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項５】
前記点火プラグは、前記吸気スワール流の下流方向にオフセットされて配設された構成である請求項１〜４のいずれか１つに記載の筒内噴射式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内に燃料噴霧を直接噴射して点火プラグによって火花点火を行う筒内噴射式内燃機関において、特に、排気性状及び燃費の向上を図る技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、筒内噴射式内燃機関としては、例えば、特開平８−３５４２９号公報に開示されるように、成層燃焼運転時には、圧縮行程後期に燃料噴霧をピストン頂面の凹状燃焼室（以下「キャビティ」という）に向けて噴射し、筒内の吸気スワール流（以下「スワール流」という）の作用とキャビティ側壁のガイド作用との相乗作用によって、燃料噴霧が点火プラグ下方に効率良く移送されるようにして可燃混合気の成層化を図り、成層燃焼を可能としたものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の筒内噴射式内燃機関では、図８に示すように、ピストン頂面１に形成されたキャビティ２の側壁高さが、筒内のスワール流の上流側と下流側とで略等しいため、次のような問題点があった。
即ち、成層燃焼運転時には、キャビティ２内に噴射された燃料噴霧Ｆは、筒内のスワール流Ｓに流されながら、スワール流Ｓの下流側に位置するキャビティ２側壁に沿って点火プラグ３下方まで移送されるため、スワール流Ｓの上流側に位置するキャビティ２側壁は、かかるガイド作用に何ら寄与せず、燃焼室における表面積／体積比（Ｓ／Ｖ比）を増大させる原因となっていた。Ｓ／Ｖ比の増大は、ピストン頂面１及びキャビティ２内壁面を介して放出される熱量の増大を招き、燃焼効率の低下による燃費の低下のおそれがあった。
【０００４】
一方、均質燃焼運転時には、吸気行程中に燃料噴霧Ｆを筒内に噴射して、筒内に略均一な可燃混合気を形成する。ここで、機関が高負荷で運転される場合を考えると、所定の燃料噴射量を確保するため吸気行程初期から燃料噴霧Ｆの噴射が開始される。このとき、噴射される燃料噴霧Ｆは、キャビティ２側壁に付着するため、燃料と空気との混合不良が生じ、最大出力の低下とすすの発生が起こるおそれがあった。また、機関が中負荷で運転される場合には、成層燃焼運転時と同様に、Ｓ／Ｖ比の増大による燃費の低下のおそれがあった。
【０００５】
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、ピストン頂面に形成されたキャビティ形状を見直すことによって、表面積／体積比の改善による燃費の向上、及び、キャビティ側壁への燃料噴霧の付着を低減することによる排気性状の向上を共に実現した筒内噴射式内燃機関を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の発明は、ピストン頂面とシリンダヘッド下面との間に形成された燃焼室の吸気側壁面に配設された燃料噴射弁により燃焼室内に燃料噴霧を直接噴射し、燃焼室のピストン頂面と対向する壁面の略中央部に配設された点火プラグによって火花点火を行う筒内噴射式内燃機関において、前記燃焼室内に吸気のスワール流を発生させるスワール流発生手段を、吸気通路に設けると共に、前記ピストン頂面であって燃料噴射弁と点火プラグとを結ぶ線下の位置に略円柱形状のキャビティを陥凹形成し、前記キャビティの側壁高さを、燃料噴射弁と点火プラグとを結ぶ線を基準として、ピストン周方向に沿って流れる吸気スワール流の下流側より上流側が低くなるように形成した。
【０００７】
かかる構成によれば、吸気スワール流の上流側に位置するキャビティ側壁高さが、下流側に位置するキャビティ側壁高さより低くなるので、ピストン頂面の表面積が減少すると共に、均質燃焼運転中に噴射される燃料噴霧のうち、キャビティ側壁に付着する燃料噴霧量が低減する。
従って、ピストン頂面の表面積の減少により、燃焼室における表面積／体積比が小さくなり、ピストン表面を介して放出される熱量が減り、燃焼効率が向上する。また、キャビティ壁面に付着する燃料噴霧量が低減することにより、燃料と空気との混合不良が軽減し、排出されるすすの量が減る。
【０００８】
請求項２記載の発明は、前記スワール流発生手段は、吸気通路に介装されたスワールコントロールバルブから構成され、該スワールコントロールバルブは、バルブ本体と、該バルブ本体を吸気通路に回動自由に支承する回動支軸とから構成され、前記バルブ本体には、その一部を切除して開口部が形成された構成とした。
【０００９】
かかる構成によれば、バルブ本体の開閉制御を行うだけで、吸気スワール流の生成が行われる。
請求項３記載の発明は、前記キャビティの少なくとも前記吸気スワール流の上流側の側壁高さを、該吸気スワール流の下流方向に徐々に高くなるように形成した。
【００１０】
かかる構成によれば、請求項１又は２に記載の発明に比べて、ピストン頂面の表面積がより減少し、燃焼効率がより向上する。
請求項４記載の発明は、前記キャビティの少なくとも前記吸気スワール流の上流側のの内底面を、該吸気スワール流の下流方向に徐々に低位となる傾斜面に形成した。
【００１１】
かかる構成によれば、請求項３記載の発明に比べて、ピストン頂面の表面積がさらに減少し、燃焼効率がさらに向上する。
請求項５記載の発明は、前記点火プラグは、前記吸気スワール流の下流方向にオフセットされて配設される構成とした。
かかる構成によれば、燃焼室内における火炎伝播が均一化され、燃焼効率が向上する。
【００１３】
従って、ピストン頂面の表面積の減少により、燃焼室における表面積／体積比が小さくなり、ピストン表面を介して放出される熱量が減り、燃焼効率が向上する。また、キャビティ壁面に付着する燃料噴霧量が低減することにより、燃料と空気との混合不良が軽減し、排出されるすすの量が減る。
【００１４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、燃焼効率が向上するので、燃費を向上することができる。また、排出されるすすの量が減少するので、排気性状を向上することができる。
請求項２記載の発明によれば、吸気スワール流を簡単な構成で生成することができる。
【００１５】
請求項３〜５に記載の発明によれば、燃焼効率がより向上するので、燃費をより向上することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１及び図２は、本発明に係る筒内噴射式内燃機関の第１実施形態を示す。
ピストン１０の頂面（以下「ピストン頂面」という）１０ａとシリンダヘッド１１の下面との間には、所定容積を有する燃焼室１２が形成される。燃焼室１２の上部に位置するシリンダヘッド１１の壁面、即ち、シリンダヘッド１１の下部に形成されたシリンダヘッド燃焼室１２ａの壁面には、吸気弁１３によって開閉される吸気ポート１４、及び、排気弁１５によって開閉される排気ポート１６が、夫々並列して２つ形成される。
【００１７】
シリンダヘッド１１の両吸気ポート１４間には、燃料噴霧を噴射する燃料噴射弁１７がピストン頂面１０ａに対して所定角度を有するように配設される。また、シリンダヘッド燃焼室１２ａの壁面の略中央部には、燃料と空気との可燃混合気を火花点火する点火プラグ１８が配設される。
ここで、２つの吸気ポート１４に接続される吸気通路１９には、燃焼室１２内に吸気のスワール流を生成させるスワールコントロールバルブ２０（スワール流発生手段）が配設される。スワールコントロールバルブ２０は、バルブ本体２０ａと、バルブ本体２０ａを吸気通路１９壁に回動自由に支承する回動支軸２０ｂとから構成され、バルブ本体２０ａには、その一部を切除して形成した開口部（図示せず）が形成される。
【００１８】
また、ピストン１０には、ピストン頂面１０ａの燃料噴射弁１７と点火プラグ１８とを結ぶ線下の位置に、略円形の開口部２１ａが上面に形成された略円柱形状のキャビティ２１が陥凹形成される。さらに、キャビティ２１の側壁高さを、成層燃焼運転時において燃焼室１２内に生成されるスワール流の下流側より上流側が低くなるように形成する。具体的には、図２において、燃焼室１２内に反時計回りのスワール流Ｓが生成されるとすると、燃料噴射弁１７の先端部におけるスワール流Ｓの上流側、即ち、図でピストン頂面１０ａの上半分を切除加工してフラットピストン形状に形成する。
【００１９】
次にかかる構成からなる筒内噴射式内燃機関の作用について説明する。
図３及び図４は、成層燃焼運転時における可燃混合気の形成過程を示す。
機関の圧縮行程後期に、燃料噴射弁１７から燃料噴霧Ｆをピストン１０のキャビティ２１内に向けて噴射する（図３参照）。
キャビティ２１内に噴射された燃料噴霧Ｆは、燃焼室１２内の空気或いはピストン１０壁面との熱交換によって気化し、その大部分が可燃混合気Ｇとなる。そして、可燃混合気Ｇは、キャビティ２１外への拡散が最小限に抑えられつつ、燃焼室１２内に生成されたスワール流Ｓに流されながら、スワール流Ｓの下流側に位置するキャビティ２１側壁に沿って点火プラグ１８の下方まで移送され、点火プラグ１８の下方にのみ可燃混合気Ｇが形成される（図４参照）。
【００２０】
その後、機関運転条件に応じた点火時期に、点火プラグ１８によって可燃混合気Ｇが火花点火され、成層燃焼が行われる。
このような成層燃焼運転時においては、可燃混合気Ｇの移送に何ら寄与しないスワール流Ｓの上流側のキャビティ２１の側壁高さが、下流側のキャビティ２１の側壁高さより低くなるように形成されているので、燃焼室１２を形成するピストン頂面１０ａの表面積が減少し、Ｓ／Ｖ比が小さくなる。従って、ピストン頂面１０ａを介して放出される熱量が減少して燃焼効率が向上し、燃費の向上を図ることができる。
【００２１】
図５は、均質燃焼運転時における可燃混合気の形成過程を示す。
機関の吸気行程中に、燃料噴射弁１７から燃料噴霧Ｆを燃焼室１２内に噴射するが、特に、機関が高負荷で運転されているときには、所定の燃料噴射量を確保するため吸気行程初期から燃料噴霧Ｆの噴射が開始される。
燃焼室１２内に噴射された燃料噴霧Ｆは、燃焼室１２内の空気或いはピストン１０壁面との熱交換によって気化し、その大部分が可燃混合気Ｇとなり、キャビティ２１内に入り込む。キャビティ２１内に入り込んだ燃料噴霧Ｆは、キャビティ２１内に流入した順タンブル流によって気化が促進され、可燃混合気Ｇの形成が促進される。これと同時に、キャビティ２１内の可燃混合気Ｇは、順タンブル流によってキャビティ２１から追い出され、燃焼室１２全体に略均一な可燃混合気Ｇが形成される。
【００２２】
その後、機関運転条件に応じた点火時期に、点火プラグ１８によって可燃混合気Ｇが火花点火され、均質燃焼が行われる。
このような高負荷の均質燃焼運転時においては、成層燃焼運転時に生成されるスワール流Ｓの上流側のキャビティ２１の側壁高さが、下流側のキャビティ２１の側壁高さより低くなるように形成されているので、燃料噴霧Ｆを噴射する際に、燃料噴霧Ｆがキャビティ２１側壁に付着することが少なくなり、燃料と空気との混合不良が大幅に軽減する。また、成層燃焼運転時と同様に、Ｓ／Ｖ比が小さくなることにより、燃焼効率も向上する。従って、燃焼効率の向上により最大出力が向上すると共に、燃料と空気との混合不良が軽減することで、排出されるすすが減少し、排気性状を向上することができる。
【００２３】
図６は、本発明に係る筒内噴射式内燃機関の第２実施形態を示す。
即ち、キャビティ２１の側壁高さを、成層燃焼運転時において燃焼室１２内に生成されるスワール流の下流側より上流側が低くなるように形成する際に、キャビティ２１の少なくともスワール流の上流側の側壁高さが、スワール流の上流側から下流側に向かって徐々に高くなるように形成する。
【００２４】
このようにすれば、先の第１実施形態よりピストン頂面１０ａの表面積が減少し、Ｓ／Ｖ比がより小さくなる。従って、燃焼効率がより向上し、燃費がより低減する。
図７は、本発明に係る筒内噴射式内燃機関の第３実施形態を示す。
即ち、先の第１実施形態において、キャビティ２１の少なくともスワール流の上流側の内底面を、スワール流の下流方向に徐々に低位となる傾斜面に形成する。
【００２５】
このようにすれば、先の第１実施形態に比べて、ピストン頂面１０ａの表面積が減少すると共に、均質燃焼運転時において、噴射された燃料噴霧のうち、キャビティ２１側壁に付着する燃料噴霧量がさらに低減し、燃費及び排気性状のさらなる向上を図ることができる。
なお、第３実施形態の特徴であるキャビティ２１内底面を徐々に低位となる傾斜面に形成する構成は、先の第２実施形態に適用することも可能である。この場合には、ピストン頂面１０ａの表面積がさらに減少し、燃費及び排気性状を効果的に向上することができる。
【００２６】
また、点火プラグ１８をスワール流の下流方向にオフセットして配設するようにしてもよい。この場合には、燃焼室１２内における火炎伝播が均一化され、燃焼効率が向上し、さらなる燃費の向上が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施形態を示す構成図
【図２】  同上のピストン頂面の詳細を示し、(a) は正面図、(b) は上面図、(c) は(b) 中のＡ−Ａ断面図
【図３】  同上の成層燃焼運転時における燃料噴射直後の状態を示し、(a) は上面図、(b) は正面図、(c) は右側面図
【図４】  同上の成層燃焼運転時における点火直前の状態を示し、(a) は上面図、(b) は正面図、(c) は右側面図
【図５】  同上の均質燃焼運転時における燃料噴射直後の状態を示し、(a) は上面図、(b) は正面図、(c) は右側面図
【図６】  本発明の第２実施形態におけるピストン頂面の詳細を示し、(a) は正面図、(b) は上面図、(c) は(b) 中のＢ−Ｂ断面図
【図７】  本発明の第３実施形態におけるピストン頂面の詳細を示し、(a) は正面図、(b) は上面図、(c) は(b) 中のＣ−Ｃ断面図
【図８】  従来の筒内噴射式内燃機関のピストン頂面形状の詳細を示し、(a) は正面図、(b) は上面図
【符号の説明】
１０  ピストン
１０ａ  ピストン頂面
１１  シリンダヘッド
１２  燃焼室
１２ａ  シリンダヘッド燃焼室
１７  燃料噴射弁
１８  点火プラグ
１９  吸気通路
２０  スワールコントロールバルブ
２０ａ  バルブ本体
２０ｂ  回動支軸
２１  キャビティ
【図１】
0003644199.tif 000002
【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】
0003644199.tif 000007
【図７】
0003644199.tif 000008
【図８】
0003644199.tif 000009