(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内に沿って吸気スワールを生起する共に、燃焼室内に直接的に燃料を噴射し、点火栓により点火燃焼させる筒内直接噴射式内燃機関において、ピストン頂面の偏心した位置にほぼ円形の凹部を形成し、この凹部はピストン軸線方向のほぼ垂直な内周壁面と、略一定の深さのフラットな底面をもち、内周壁面と底面とが斜面で接続し、前記ピストンが圧縮上死点に近づくにしたがい前記凹部にスワールが侵入していくときに最初に衝突する内周壁面の領域を衝突側、これと反対側に位置する内周壁面を流入側として、凹部内へのスワールの流入側に比較してスワールの衝突側において、内周壁面の垂直な上下方向の幅が長く、かつ斜面の幅が短くなるように形成することを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項２】
前記凹部のスワール衝突側の内周壁面の垂直面の上下幅が最大となる領域は、点火栓の近傍にまで及ぶように形成される請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項３】
前記凹部のスワール流入側では、凹部の上周縁から底面まで連続する緩やかな斜面で形成される請求項１または２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項４】
前記凹部の中心とピストン中心とを結ぶ線上に点火栓と燃料噴射弁とが配置され、点火栓はピストンの略中心でかつ凹部の内側、燃料噴射弁はピストンの外周部に位置し、上記凹部中心とピストン中心とを結ぶ線と略直交する方向からスワールが凹部に流入するように設定される請求項１〜４のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項５】
前記斜面が円弧面として形成される請求項１〜４のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項６】
前記斜面が円錐面として形成される請求項１〜４のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項７】
ピストン頂面の偏心した位置に設けたほぼ円形の凹部の内側でかつピストンほぼ中心付近で点火され、かつ凹部のほぼ中心を経由して点火栓に向けて燃料が噴射され、この凹部はピストン軸線方向のほぼ垂直な内周壁面と、略一定の深さのフラットな底面をもち、内周壁面と底面とが斜面で接続し、前記ピストンが圧縮上死点に近づくにしたがい前記凹部にスワールが侵入していくときに最初に衝突する内周壁面の領域を衝突側、これと反対側に位置する内周壁面を流入側として、凹部内へのスワールの流入側に比較してスワールの衝突側において、内周壁面の垂直な上下方向の幅が長く、かつ斜面の幅が短くなり、前記点火が少なくともスワール衝突側より下流側で行われることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は気筒内に直接的に燃料噴射弁から燃料を噴射し、点火栓により着火燃焼させる内燃機関のピストン構造の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の筒内直接噴射式内燃機関のピストンとして、例えば特開平５−１０１３７号に開示されたものが知られている。
【０００３】
燃焼室の中心部に点火栓を設け、燃焼室周辺部には斜めに燃料噴射弁を取付け、ピストンの頂面には燃料噴射弁寄りに偏心した位置に凹部を形成し、圧縮行程の終期において燃料噴射弁から点火栓に向けて燃料を噴射すると共に、吸入行程で生起された吸気のスワールを凹部内に誘導することで、点火栓近傍に可燃混合気層を形成し、全体的には希薄な混合気であっても、安定して着火燃焼させることを可能としている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この成層混合気燃焼を実現するうえで、点火直前の圧縮上死点付近において凹部内に良好なスワールを維持することは非常に重要であり、このためには凹部の形状が大きな影響をもたらす。
【０００５】
凹部は円形の皿状が一般的で、上記公報にあるものは、点火栓側で最も深く、燃料噴射弁側が浅くなる非円形な形状であるが、この場合、圧縮上死点付近において吸気スワールを凹部内に保存しておくことが難しく、スワールの保持性に欠ける嫌いがあった。
【０００６】
これに対して本出願人により、図７、図８のように、ピストン頂面に一定の深さをもつ円形の凹部を形成し、凹部内にスワール（ガス流動）を維持する試みがなされている。
【０００７】
つまり、ピストン３の頂面４に形成される円形の凹部５はフラットな底面５ｂをもち、内周壁面５ａとは滑らかな一定の曲率をもつ円弧面５ｃにより連続している。凹部５は燃焼室中心から燃料噴射弁２側に偏心して設けられ、その反対側に燃焼室中央の点火栓１が配置され、燃料噴霧が点火栓１に向かうように燃料噴射弁２の噴射方向が設定される。
【０００８】
吸気行程でシリンダ内に接線方向から流入した吸気によりスワールが生成されるが、このスワールは圧縮行程でピストン１が上昇するのにしたがって凹部内に押し込められいく。内周壁面５ａが円形のためガス流動に対する抵抗が少なく、スワールが減衰せず、その維持特性が良好となる。
【０００９】
しかし、図８にもあるように、当初、スワールはシリンダ内周に沿う流れを形成していたものが、ピストン１の上昇に伴い頂面４の偏心した位置にある小さい径の凹部５へと回転半径を狭めながら押し込められていくので、スワール流Ｓ１は内周５ａに沿って凹部５の内部へ案内されるものの、スワール流Ｓ２には円弧面５ｃにより上方への速度成分が発生し、燃料を含む混合気の一部が凹部５を乗り越えて外に飛び出してしまう（図中Ｊの領域）。
【００１０】
このため、凹部５の内側の点火栓近傍に可燃混合気層を維持形成できず、成層混合気燃焼が不安定となり、また燃焼火炎が伝播しにくい領域に飛び出した燃料噴霧は不完全燃焼のまま終わることもあった。
【００１１】
成層混合気燃焼を効率よく行うためには、燃焼室内の一部にまとっまた状態の可燃混合気に着火し、まとまった状態のまま燃焼を完了させることであり、そのためには凹部５の中でできるだけ多くの混合気を燃焼させる必要がある。
【００１２】
しかし、このように凹部５から混合気の一部が逃げるほど、燃焼効率が低下して燃費が悪化すると共に、未燃ＨＣの排出量も増加してしまうのである。
【００１３】
本発明はピストン頂面の凹部の形状を適切に設定することにより、このような問題を解決することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、シリンダ内に沿って吸気スワールを生起する共に、燃焼室内に直接的に燃料を噴射し、点火栓により点火燃焼させる筒内直接噴射式内燃機関において、ピストン頂面の偏心した位置にほぼ円形の凹部を形成し、この凹部はピストン軸線方向のほぼ垂直な内周壁面と、略一定の深さのフラットな底面をもち、内周壁面と底面とが斜面で接続し、前記ピストンが圧縮上死点に近づくにしたがい前記凹部にスワールが侵入していくときに最初に衝突する内周壁面の領域を衝突側、これと反対側に位置する内周壁面を流入側として、凹部内へのスワールの流入側に比較してスワールの衝突側において、内周壁面の垂直な上下方向の幅が長く、かつ斜面の幅が短くなるように形成する。
【００１５】
第２の発明は、前記凹部のスワール衝突側の内周壁面の垂直面の上下幅が最大となる領域は、点火栓の近傍にまで及ぶように形成される。
【００１６】
第３の発明は、前記凹部のスワール流入側では、凹部の上周縁から底面まで連続する緩やかな斜面で形成される。
【００１７】
第４の発明は、前記凹部の中心とピストン中心とを結ぶ線上に点火栓と燃料噴射弁とが配置され、点火栓はピストンの略中心でかつ凹部の内側、燃料噴射弁はピストンの外周部に位置し、上記凹部中心とピストン中心とを結ぶ線と略直交する方向からスワールが凹部に流入するように設定される。
【００１８】
第５の発明は、前記斜面が円弧面として形成される。
【００１９】
第６の発明は、前記斜面が円錐面として形成される。
【００２０】
第７の発明は、ピストン頂面の偏心した位置に設けたほぼ円形の凹部の内側でかつピストンほぼ中心付近で点火され、かつ凹部のほぼ中心を経由して点火栓に向けて燃料が噴射され、この凹部はピストン軸線方向のほぼ垂直な内周壁面と、略一定の深さのフラットな底面をもち、内周壁面と底面とが斜面で接続し、前記ピストンが圧縮上死点に近づくにしたがい前記凹部にスワールが侵入していくときに最初に衝突する内周壁面の領域を衝突側、これと反対側に位置する内周壁面を流入側として、凹部内へのスワールの流入側に比較してスワールの衝突側において、内周壁面の垂直な上下方向の幅が長く、かつ斜面の幅が短くなり、前記点火が少なくともスワール衝突側より下流側で行われる。
【００２１】
【発明の作用・効果】
第１の発明において、圧縮行程においてピストンの上昇に伴い、スワールがピストン頂面の凹部へと押し込められていき、このときスワール流入側では幅の広い斜面によって凹部内へとスムーズにスワールを流入させ、またスワールが衝突する側では内周壁面の垂直面の上下幅が最も大きく、かつ斜面が短いため、衝突したスワールの上昇方向への移動を抑制して内周壁面に沿った流れを誘導し、これらによりスワールを凹部内で減衰することなく保持する。
【００２２】
圧縮行程の後半において燃料が噴射されると、この燃料噴霧は凹部から飛び出ることなくスワールと共に点火栓に向かい、点火栓の付近に可燃混合気層を形成する。点火栓の点火に伴い混合気に着火し、燃焼火炎は速やかに凹部内に伝播していく。これにより燃焼室全体では希薄な混合気であっても、小さくまとまった効率のよい燃焼が行われ、燃費の改善、未燃ＨＣの低減が図れる。
【００２３】
第２の発明では、内周壁面の垂直部分が最大となる領域は点火栓の近傍にまで及ぶので、この垂直壁面を乗り越えて凹部の外側に飛び出す燃料及び混合気を減らし、点火栓の近傍に確実に可燃混合気層を形成維持できる。
【００２４】
第３の発明では、凹部へのスワール流入側が上周縁から底面まで連続する緩やかな斜面で形成されるので、スワールがスムーズに抵抗なく凹部に流入し、その減衰が最大限に抑制される。
【００２５】
第４の発明では、スワールが燃料噴射弁の側から点火栓の側に向かい、燃料噴霧がスワールに乗って点火栓に近傍に集中しやすく、点火栓の近傍に可燃混合気層を確実に生成でき、このため安定した着火と、速やかな火炎の伝播とが実現し、燃焼の安定性が向上する。
【００２６】
第５の発明では、斜面が円弧面であって、内周壁面と底面との接続を円滑にしてガス流動に対する抵抗を小さくできる。
【００２７】
第６の発明は、斜面が円錐面として形成されるので、斜面の機械的加工が容易になる。
【００２８】
第７の発明において、圧縮行程においてピストンの上昇に伴い、スワールがピストン頂面の凹部へと押し込められていき、このときスワール流入側では幅の広い斜面によって凹部内へと円滑にスワールを流入させ、スワールが衝突する側では内周壁面の垂直面の上下幅が最も大きく、かつ斜面が短いため、衝突したスワールの上昇方向への移動を抑制して内周壁面に沿った流れを誘導し、これらによりスワールを凹部内で減衰することなく保持する。また、圧縮行程の後半で噴射される燃料噴霧はスワールと共に点火位置へと導かれるが、この領域での内周壁面の垂直面の幅が大きいことから、凹部から飛び出る割合が低く、これらが相俟って点火後、主として凹部内において混合気の燃焼を完了することができ、燃焼効率を高め、燃費を向上させると共に、未燃ＨＣの排出等を低減できる。
【００２９】
【実施の形態】
図１〜図３には本発明の最良の実施形態を示す。
【００３０】
図示するように、ピストン３の頂面４には、中心から燃料噴射弁２寄りに偏心した位置に凹部５が形成される。凹部５はピストン３の直径の略半分の直径をもち、ピストン中心と周辺との間に配置される。
【００３１】
シリンダヘッドに取付けられる点火栓１と燃料噴射弁２については、ほぼピストン中心に位置する点火栓１が凹部５の内側にあり、かつこの点火栓１と対峙して燃焼室周辺に配置される燃料噴射弁２は、ピストン３の中心と凹部５の中心を通る線（Ｘ−Ｘ）上に位置する。
【００３２】
ピストン３の頂面４には所定の深さの円形の凹部５が形成され、その底面５ｂはフラットに形成され、内周壁面５ａはピストン軸線とほぼ平行に垂直な壁面に形成される。そして、内周壁面５ａと底面５ｂとは、斜面でもって連結し、この実施形態においては、斜面として所定の曲率をもつ基準円弧面５ｃにより滑らかに連続させられる。
【００３３】
燃焼室７には、２つの吸気弁８ａ，８ｂを介して吸気ポート９ａ，９ｂからの吸気が流入するが、吸気ポート９ａ，９ｂは互いにほぼ平行で、かつ前記点火栓１と燃料噴射弁２とを結ぶ線Ｘ−Ｘから左右に等距離だけ離れて配置され、これにより、とくに低負荷領域など一方の吸気弁８ｂからのみ吸気が導入されるときに、シリンダ内に矢印で示すような反時計回り方向のスワール流Ｓを生起する。つまり、スワール流ＳはＸ−Ｘ線を略々直交するように横切る。
【００３４】
なお、吸気ポート９ａの上流には図示しないが、スワール制御弁が設けられ、低負荷時などに閉じることで、他方の吸気ポート９ｂからのみ吸気をシリンダ内に流入させるようになっている。ただし、排気弁と排気ポートについては図示を省略してある。
【００３５】
一方、ピストン３が圧縮上死点に近づくにしたがい回転半径を狭めながらスワールが押し込まれる凹部５には、スワール流Ｓが凹部５に侵入していくときに最初に衝突する内周壁面５ａの領域において、内周壁面５ａと底面５ｂとを結ぶ円弧面５ｄの曲率が、基準円弧面５ｃの曲率よりも小さく形成され、円弧面５ｄによる上昇方向への速度成分を小さくし、またこれと共に垂直な内周壁面５ａの上下方向の幅を大きくすることで、内周壁面５ａを乗り越えて凹部５の外側へ飛び出すスワールを可及的に少なくする。
【００３６】
これに対して、これとほぼ反対側に位置するスワールの流入側においては、曲率の大きな円弧面５ｅが形成され、この円弧面５ｅの幅を拡大することで内周壁面５ａの幅を小さくし、凹部５へのスワールの導入を円滑にする。
【００３７】
換言すると、スワールが衝突する側においては、内周壁面５ａの垂直面の幅が長く、斜面の幅が短くなり、これに比較して、スワールが流入する上流側では、内周壁面５ａの垂直面の幅が短く、斜面の幅が長くなる。
【００３８】
凹部５の底面５ｂは、各円弧面の曲率が変化することで、凹部５の上周面とは同心の円周面とはならず、曲率の小さい方へと偏心することになる。
【００３９】
なお、凹部５の容積は、機関に要求される圧縮比（ピストン下死点と上死点での容積比）に基づいて決まり、この容積とするための直径と深さ並びに基準円弧面５ｃの曲率が決定される。したがって、小曲率の円弧面５ｄと大曲率の円弧面５ｅも、凹部５の要求容積を満たすように設定されることになる。
【００４０】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００４１】
成層混合気燃焼を行う低負荷領域などで、吸気行程で一方の吸気弁８ｂからシリンダ内に流入した吸気は、シリンダ内周に沿って矢印で示すような反時計回り方向のスワール流Ｓを生成する。
【００４２】
このスワール流Ｓは圧縮行程でも維持されるが、ピストン３が上昇するのにしたがってピストン頂面４とシリンダヘッド内壁面との隙間が小さくなり、徐々に凹部５の内側へと押し込められていく。シリンダ内周面の直径よりも凹部５の内周壁面５ａの直径が小さいため、スワール流Ｓは回転半径を狭めつつ凹部５に誘導されていくが、凹部５の手前の曲率の最も大きい円弧面５ｅをもつ内周壁面５ａ1から侵入し、ピストン外周面と同一方向の接線をもつ内周壁面５ａ2に案内されつつ曲率の最も小さい円弧面５ｄをもつ内周壁面５ａ3に一部が衝突しつつ、さらに下流へと内周壁面５ａ4に沿って同一方向に進んでいく。
【００４３】
スワール流Ｓが最も多く衝突する内周壁面５ａ3については、最小の曲率の円弧面５ｄをもち、かつ垂直面の上下方向の幅も最大に深くなり、このため衝突により発生する上昇方向の速度成分は小さく、この部分から内周壁面５ａ3を乗り越えていたスワールの凹部５の外側への飛び出しを最小限に抑えられる。
【００４４】
このようにして、ピストン上死点付近においても凹部５の内側に強力なスワールが保持され、その直前に燃料噴射弁２から噴射された燃料噴霧も、スワールと共に点火栓１に向かうが、この領域での内周壁面５ａ3の垂直面の幅が大きいため凹部５から飛び出すことなく、多くが凹部５の内側にスワールと共に閉じ込められ、これらにより点火栓１の周辺に可燃混合気層を形成する。点火栓１の点火作用により点火栓１を中心にして混合気が着火燃焼し、凹部内でまとまった混合気の隅々まで速やかに火炎が伝播していき、混合気がまとまった状態のまま燃焼が完了する。
【００４５】
とくに、図７、図８の例では、ピストン頂面４の斜線で示す領域Ｄに多くのデポッジットの付着が見られたが、これは燃料の一部が凹部５から飛び出すためで、凹部５の外側のシリンダヘッド内壁面との隙間の小さい、燃焼火炎の届きにくい領域に運ばれた燃料は未燃のまま、あるいは不完全燃焼状態で排出されることから、排気性能も悪化してしまう。
【００４６】
しかし本発明では、凹部５からスワールと共に飛び出る燃料や混合気も少なく、小さくまとまった状態のまま混合気を燃焼させることができるので燃焼効率が良好となり、燃費や出力特性が改善され、しかも未燃ＨＣなどの排出量も減少させられる。
【００４７】
次に図４〜図６に示す他の実施の形態を説明する。
【００４８】
この実施の形態では、スワール流Ｓが凹部５に流入する領域、つまりスワールの上流側に位置する内周壁面５ａ1については、内周壁面と底面５ｂを結ぶ斜面として、曲率の大きな円弧面５ｅに代えて、凹部５の上周縁から底面５ｂに連なる円錐面５ｆを形成するようにしたものである。
【００４９】
この場合には、内周壁面５ａ1としては垂直な壁面が存在しないため、ピストン３の上昇に伴い、円錐面５ｆに沿ってスワール流Ｓが凹部５の内側へ、渦などを生じることなくスムーズに侵入していく。
【００５０】
したがって、凹部５の内側に強力なスワールを導入することができ、成層混合気燃焼の安定性をなお一層改善することが可能となる。
【００５１】
なお、この場合、スワールが衝突する側の内周壁面５ａ3の部分の円弧面５ｄについても、傾斜のきつく、幅の短い円錐面に形成することもできる。
【００５２】
このように円弧面に代えて全てに円錐面を用いると、ピストン３の凹部５を機械加工により形成する場合の加工性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す燃焼室部分の平面図である。
【図２】図１の断面Ｃ−Ａ及びＣ−Ａ’を示す断面図である。
【図３】図１の断面Ｃ−Ｂを示す断面図である。
【図４】他の実施の形態を示す燃焼室部分の平面図である。
【図５】図４の断面Ｃ−Ａ及びＣ−Ａ’を示す断面図である。
【図６】図４の断面Ｃ−Ｂを示す断面図である。
【図７】先行例を示す燃焼室部分の平面図である。
【図８】同じくその凹部の一部を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  点火栓
２  燃料噴射弁
３  ピストン
４  燃焼室
５  凹部
５ａ  内周壁面
５ｂ  底面
５ｃ  円弧面（斜面）
５ｄ  円弧面
５ｅ  円弧面
５ｆ  円錐面
７  燃焼室
Ｓ  スワール流
【図１】
0003539131.tif 000002
【図２】
0003539131.tif 000003
【図３】
0003539131.tif 000004
【図４】
0003539131.tif 000005
【図５】
0003539131.tif 000006
【図６】
0003539131.tif 000007
【図７】
0003539131.tif 000008
【図８】
0003539131.tif 000009