(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドの気筒内面における吸気弁側と、吸気弁傘部の気筒内面側とに、断熱層が設けられ、シリンダヘッドの気筒内面における排気弁側と、排気弁傘部の気筒内面側とには、断熱層が設けられていないことを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項２】
ピストン頂面には吸気弁側に偏在してキャビティが形成され、前記筒内噴射式火花点火内燃機関は、圧縮行程で前記キャビティ内へ燃料を噴射することにより成層燃焼を実施するものであり、前記断熱層の表面における前記キャビティに対向する少なくとも一部の部分には、蓄熱層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項３】
ピストン頂面には吸気弁側に偏在してキャビティが形成され、前記筒内噴射式火花点火内燃機関は、圧縮行程で前記キャビティ内へ燃料を噴射することにより成層燃焼を実施するものであり、前記断熱層の表面における前記キャビティに対向する少なくとも一部の部分には、近傍雰囲気がリーン空燃比の時にＮＯｘ  を吸収し、理論空燃比又はリッチ空燃比の時にＮＯｘ  を放出して還元浄化するＮＯｘ  吸蔵還元触媒が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
気筒内へ直接的に燃料を噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関が公知である。このような筒内噴射式火花点火内燃機関は、吸気ポート噴射式内燃機関のように噴射された燃料の一部が吸気ポートの壁面に付着して気筒内へ供給されないようなことはなく、噴射された燃料全てが確実に気筒内へ供給されるために、燃料噴射量を機関運転状態に応じた必要最小限とすることができ、燃費消費率の低減を実現することができる。
【０００３】
筒内噴射式火花点火内燃機関では、一般的に、吸気行程燃料噴射による均質燃焼と、圧縮行程燃料噴射による成層燃焼とを切り換えて実施するようになっている。いずれの燃焼においても、気筒内の吸気温度を高めることは、噴射燃料の気化を促進するのに有利である。
【０００４】
特開平１１−２７０４０４号公報は、シリンダヘッドの気筒内面全体に遮熱板を設けた内燃機関を開示している。この内燃機関によれば、気筒内の吸気は、高温の排気弁から受熱すると共に、比較的低温のシリンダヘッド吸気弁側による冷却が遮熱板によって防止されるために、通常に比較して吸気温度を高めることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これでは十分ではなく、さらに吸気温度を高めることが望まれている。従って、本発明の目的は、吸気温度を十分に高めることができる筒内噴射式火花点火内燃機関を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、シリンダヘッドの気筒内面における吸気弁側と、吸気弁傘部の気筒内面側とに、断熱層が設けられ、シリンダヘッドの気筒内面における排気弁側と、排気弁傘部の気筒内面側とには、断熱層が設けられていないことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、ピストン頂面には吸気弁側に偏在してキャビティが形成され、前記筒内噴射式火花点火内燃機関は、圧縮行程で前記キャビティ内へ燃料を噴射することにより成層燃焼を実施するものであり、前記断熱層の表面における前記キャビティに対向する部分には、蓄熱層が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、ピストン頂面には吸気弁側に偏在してキャビティが形成され、前記筒内噴射式火花点火内燃機関は、圧縮行程で前記キャビティ内へ燃料を噴射することにより成層燃焼を実施するものであり、前記断熱層の表面における前記キャビティに対向する部分には、近傍雰囲気がリーン空燃比の時にＮＯｘ  を吸収し、理論空燃比又はリッチ空燃比の時にＮＯｘ  を放出して還元浄化するＮＯｘ  吸蔵還元触媒が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図であり、図２は図１の筒内噴射式火花点火内燃機関におけるピストンの平面図である。これらの図において、１は吸気ポート、２は排気ポートであり、吸気ポート１は吸気弁３を介して、排気ポート２は排気弁４を介してそれぞれ気筒内へ通じている。５はピストンであり、その頂面には凹状のキャビティ８が吸気弁側に偏在して形成されている。６は気筒上部略中心に配置された点火プラグである。７は、気筒内へ直接的に燃料を噴射するために、気筒上部周囲の吸気弁側に配置された燃料噴射弁である。燃料噴射弁７は、スリット状噴孔を有し、燃料を比較的厚さの薄い略扇形状噴霧として噴射するものである。
【００１０】
本筒内噴射式火花点火内燃機関は、燃料噴射量が多量となる機関高負荷時には、均質燃焼を実施するために、燃料噴射弁７により吸気行程において燃料を噴射し、点火時点において気筒内に均質混合気を形成することが意図されている。略扇形状噴霧は、飛行中において気筒内の吸気と十分に接触して良好に微粒化され、円錐形状噴霧等に比較して気化し易い。しかしながら、噴射燃料を完全に気化させて良好な均質混合気を形成するには、吸気温度を十分に高めることが好ましい。
【００１１】
一方、燃料噴射量が多量となる機関高負荷時を除いては、成層燃焼を実施するために、燃料噴射弁７により圧縮行程後半において燃料を噴射するようになっている。こうして噴射された略扇形状噴霧は、図１に示すように、キャビティ８内へ侵入する。
【００１２】
ピストン５頂面に形成されたキャビティ８は、底壁８ａと燃料噴射弁７に対向する対向側壁８ｂとを有している。斜線で示す噴射直後の燃料は液状であるが、キャビティ８の底壁８ａに衝突した後に底壁８ａに沿って進行して幅方向に拡がる際に底壁８ａの広範囲部分から熱吸収するために気化し易い。こうして気化しつつある燃料は、対向側壁８ｂによって上方向に偏向される。
【００１３】
図２に示すように、対向側壁８ｂは平面視において円弧形状を有しており、平面視において、燃料噴射弁７の噴孔から対向側壁８ｂまでの距離は、対向側壁８ｂの円弧形状の半径より大きくされている。それにより、キャビティ８の底壁８ａ上を進行して幅方向に拡がった燃料において、幅方向における燃料中央部分は、対向側壁８ｂの中央部に沿って上方向の速度成分だけが付与されるが、幅方向における燃料両側部分は、対向側壁８ｂに対してそれぞれ鋭角度に衝突することとなり、中央方向の速度成分も付与される。
【００１４】
こうして、キャビティ８の底壁８ａ上を進行して気化しつつある燃料各部分は、対向側壁８ｂ上を進行する際にさらに熱吸収してほぼ完全に気化し、点火時点において、点火プラグ６近傍に集合してドットで示す一塊の可燃混合気となる。成層燃焼は、点火プラグ６近傍だけに可燃混合気を形成することにより、気筒内全体としてはリーンな混合気を燃焼可能であるために、燃費効率が高いものである。本実施形態のように、燃料噴射弁７として燃料を比較的厚さの薄い略扇状に噴射するものを使用することで、噴射された燃料は前述したようにキャビティ８内で気化し易くなるが、特に、燃費効率の高い成層燃焼領域を高負荷側に拡大しようとして比較的多くの燃料を点火までの時間が短い圧縮行程後半に噴射する場合等には、噴射燃料の気化を良好にするために、吸気温度を十分に高めることが好ましい。
【００１５】
このように、均質燃焼及び成層燃焼のいずれにおいても、燃料の気化促進のために吸気温度を十分に高めることが望まれている。本実施形態では、シリンダヘッドの気筒内面における吸気弁側と、吸気弁傘部の気筒内面側とには、断熱層９が設けられている。この断熱層９は、シリンダヘッド気筒内面の底面図である図３において、斜線で示されている。断熱層９は、シリンダヘッドの材質である鋳鉄又はアルミ等に比較して低い熱伝導率を有する材料、例えば、セラミック、ステンレス、又はチタン等から形成され、これらの材料を板状にして、シリンダヘッドの鋳造の際に鋳込んでも良く、また、シリンダヘッドの成形後に溶射しても良い。
【００１６】
こうすることにより、気筒内の吸気は、排気の通過によって高温となる排気弁に加えて、排気が通過する排気ポート回りで比較的高温となるシリンダヘッド排気弁側から良好に受熱すると共に、吸気が通過する吸気ポート回りで比較的低温となるシリンダヘッド吸気弁側による冷却に加えて、吸気の通過によって低温となる吸気弁による冷却が、いずれも断熱層９によって防止されるために、吸気温度を十分に高めることができ、均質燃焼時の均質混合気及び成層燃焼時の可燃混合気において燃料を十分に気化させて良好な燃焼を実現することができる。
【００１７】
本実施形態では、このような断熱層９の表面におけるキャビティ８に対向する部分には、さらに蓄熱層１０が設けられている。この蓄熱層１０は、シリンダヘッド気筒内面の底面図である図３において、断熱層９を示す斜線と交差する別の斜線で示されている。蓄熱層１０は、銀メッキ又は銀ペースト等の被覆によって形成されている。このような蓄熱層１０は、気筒内の燃焼ガスから受熱して高温度に維持され、吸気温度をさらに高めることを可能とする。
【００１８】
成層燃焼において、前述したように、吸気温度が十分に高められていれば、燃料噴射弁７から噴射された燃料は、厚さの薄い略扇状の噴霧形状も相まって、キャビティ８の対向側壁８ｂ上を進行した後にはほぼ完全に気化している。しかしながら、燃料噴射量が比較的多い時において、噴射末期の燃料は、キャビティ壁面がこれまでの噴射燃料を気化させるのにかなりの熱を奪われているために、十分に気化せずにシリンダヘッドに付着することがある。また、噴射燃料の一部が、キャビティ８の底壁８ａに衝突する際に飛散して液状のままシリンダヘッドに付着する可能性もある。
【００１９】
本実施形態において、このような液状燃料は、シリンダヘッドにおけるキャビティ８の対向部分、すなわち、蓄熱層１０に付着することとなり、高温度の蓄熱層１０によって、瞬間的に蒸発させられる。このように、蓄熱層１０は、液状付着燃料を蒸発させるようにも機能し、成層燃焼時において、噴射された全ての燃料は点火までに確実に気化させ、未燃燃料の排出量を低減することが可能となる。
【００２０】
ところで、成層燃焼は空気過剰での燃焼方式であるために、比較的多量のＮＯｘ  が発生してしまう。このＮＯｘ  を還元浄化するために、一般的に、機関排気系にはＮＯｘ  吸蔵還元触媒装置が配置される。ＮＯｘ  吸蔵還元触媒装置に使用されるＮＯｘ  吸蔵還元触媒は、ＮＯｘ  吸収剤と白金Ｐｔのような貴金属触媒とから構成される。ＮＯｘ  吸収剤は、例えば、カリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａ、ストロンチウムＳｒのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類、および遷移金属から選ばれた少くとも一つである。このＮＯｘ  吸収剤は、近傍雰囲気中の空燃比がリーンのときにはＮＯｘ  を吸収し、空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯｘ  を放出するＮＯｘ  の吸放出作用を行う。この吸放出作用を、ＮＯｘ  吸収材としてバリウムＢａを、貴金属触媒として白金Ｐｔを使用した場合を例に以下に説明する。
【００２１】
まず、既燃ガスの空燃比がリーンで酸素濃度が高い時には、酸素が、Ｏ２  −  の形で白金Ｐｔの表面に付着し、次いで、既燃ガス中のＮＯが白金Ｐｔの表面上でＯ２  −  と反応してＮＯ２  となる。こうして生成されたＮＯ２  の一部は、白金Ｐｔ上で酸化されつつ吸収材内へ吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら硝酸イオンＮＯ３  −  の形で吸収材内に吸収される。
【００２２】
既燃ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔの表面でＮＯ２  が生成され、吸収材のＮＯｘ  吸収能力が飽和しない限りＮＯ２  が吸収材内に吸収される。しかしながら、既燃ガスがリッチ状態となって酸素濃度が低下することによってＮＯ２  の生成量が低下すると、逆に硝酸イオンＮＯ３  −  がＮＯ２  の形で吸収材から放出される。このＮＯ２  は、リッチ状態の既燃ガス中に含まれる未燃ＨＣ及びＣＯと反応して還元浄化される。
【００２３】
このように、機関排気系にＮＯｘ  吸蔵還元触媒装置を配置すれば、ＮＯｘ  を良好に吸蔵するが、定期的に燃焼空燃比をリッチにする等してＮＯｘ  吸収材の吸収能力が飽和するまでにＮＯｘ  を放出させて還元浄化することが必要である。このような空燃比制御は比較的複雑である。
【００２４】
本筒内噴射式火花点火内燃機関において、シリンダヘッドに形成した蓄熱層１０の表面には、又は、蓄熱層なしに断熱層の表面におけるキャビティ８の対向部分には、ＮＯｘ  吸蔵還元触媒を担持させるようにして、機関排気系のＮＯｘ  吸蔵還元触媒装置を省略するようにしても良い。こうすることにより、成層燃焼時に生成されたＮＯｘ  を気筒内においてＮＯｘ  吸蔵還元触媒が吸蔵する。次回の成層燃焼時には、シリンダヘッドのキャビティ８の対向部分は、点火直前において、着火性の良好な可燃混合気が接触し、すなわち、近傍雰囲気がリッチ状態となるために、ＮＯｘ  吸蔵還元触媒装置に吸蔵されているＮＯｘ  が放出されると共に還元浄化させられる。
【００２５】
このようにシリンダヘッドにＮＯｘ  吸蔵還元触媒を担持させれば、特別な空燃比制御を実施することなく、通常の成層燃焼毎に、点火直前には吸蔵したＮＯｘ  を放出して還元浄化させ、燃焼後には発生したＮＯｘ  を良好に吸蔵することができる。ＮＯｘ  吸蔵還元触媒又は蓄熱層１０は、必ずしもシリンダヘッドのキャビティ８の対向部分の全体に設ける必要はなく、対向部分の少なくとも一部に設けることによっても、ある程度のＮＯｘ  の吸蔵還元作用又は液状付着燃料の蒸発作用をもたらすことができる。
【００２６】
【発明の効果】
このように、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、シリンダヘッドの気筒内面における吸気弁側と、吸気弁傘部の気筒内面側とに、断熱層が設けられ、シリンダヘッドの気筒内面における排気弁側と、排気弁傘部の気筒内面側とには、断熱層が設けられていないために、気筒内の吸気は、排気の通過によって高温となる排気弁に加えて、排気が通過する排気ポート回りで比較的高温となるシリンダヘッドの気筒内面における排気弁側から良好に受熱すると共に、吸気が通過する吸気ポート回りで比較的低温となるシリンダヘッドの気筒内面における吸気弁側による冷却に加えて、吸気の通過によって低温となる吸気弁による冷却が、いずれも断熱層によって防止されるために、吸気温度を十分に高めることができ、燃料噴射の気化が促進され、良好な燃焼を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図である。
【図２】図１のピストンの平面図である。
【図３】図１のシリンダヘッドの底面図である。
【符号の説明】
１…吸気ポート
２…排気ポート
３…吸気弁
４…排気弁
５…ピストン
６…点火プラグ
７…燃料噴射弁
９…断熱層
１０…蓄熱層
【図１】
0003633460.tif 000002
【図２】
0003633460.tif 000003
【図３】
0003633460.tif 000004