(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペントルーフ形状を有する燃焼室の吸気弁配置側の側部に燃料を直接燃焼室に噴射する燃料噴射弁を設けると共に、燃焼室のほぼ中心に臨む位置に点火プラグを設けた筒内噴射式火花点火機関において、前記吸気弁により開閉される吸気ポート内に、成層燃焼時に吸気行程で燃焼室内に形成される順タンブル流を強化するための流動制御弁を設ける一方、燃焼室のペントルーフ形状に合わせた吸気弁配置側の斜面および排気弁配置側の斜面からなるピストン冠面に、燃焼室のほぼ中心に位置する中央突起部を境にして吸気弁配置側の円弧状凹部と排気弁配置側の円弧状凹部とが隣接した側面ω形状の凹部を形成し、吸気弁配置側の円弧状凹部を排気弁配置側の円弧状凹部よりも幅広に形成したことを特徴する筒内噴射式火花点火機関。
【請求項２】
流動制御弁は、成層燃焼時に吸気ポート断面積の半分以上のほぼ下半部を遮断するように構成した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機関。
【請求項３】
吸気ポートの流動制御弁の上側に、成層燃焼時に吸気の主流を吸気ポート開口部の燃焼室中心側のほぼ半部に指向させる流動ガイド手段を設けたことを特徴する請求項２に記載の筒内噴射式火花点火機関。
【請求項４】
側面ω形状の凹部の中央突起部の高さを、ピストン冠面のピストン中心側に向けた延長面よりも低く設定したことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の筒内噴射式火花点火機関。
【請求項５】
側面ω形状の凹部の中央突起部の高さを、吸気弁配置側の円弧状凹部と排気弁配置側の円弧状凹部の、中央突起部を中心に相対向する各外縁を結ぶ直線よりも低く設定したことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の筒内噴射式火花点火機関。
【請求項６】
側面ω形状の凹部の深さを、吸気弁配置側の円弧状凹部と排気弁配置側の円弧状凹部の、中央突起部を中心に相対向する各外縁を結ぶ直線から１０ｍｍ以下に設定したことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の筒内噴射式火花点火機関。
【請求項７】
燃料噴射弁はその燃料噴霧角が大気圧下で５５〜８０度に設定され、かつ、該燃料噴射弁を水平方向に対して２０〜４０度の俯角で取付けたことを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の筒内噴射式火花点火機関。
【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機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内噴射式火花点火機関の中には、例えば特開平８−１４４５４３号公報に示されているように、ピストン冠面の吸気弁配置側にオフセットして円弧状の凹部を形成すると共に、排気弁配置側には該凹部の縁部に連なって傾斜した平坦な凸部を形成し、成層燃焼時に燃料噴射弁から前記凹部に向けて噴射された燃料噴霧と、吸気行程で燃焼室に形成された順タンブル流との衝突拡散による混合気形成の促進と必要以上の拡散防止との両立を図ったものや、特開平９−２０９７５８号公報に示されているように、ピストン冠面に中央突起部を境にして吸気弁配置側の円弧状凹部と排気弁配置側の円弧状凹部とが隣接した側面ω形状の凹部を形成して、成層燃焼時に燃焼室内に形成された順タンブル流による燃料噴霧の点火プラグ周りへの輸送性を向上できるようにしたもの等が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
これらは何れも吸気行程で燃焼室に形成される順タンブル流、即ち吸気ポートから吸入された吸気が排気弁配置側からピストン冠面に向かい該ピストン冠面で反転して点火プラグ配置側へ向かう縦方向の旋回流によって、成層燃焼時に圧縮行程後期に噴射された燃料噴霧を燃焼室中心の点火プラグ周りへ輸送させることにより、横方向旋回流のスワールタイプのものや、縦方向旋回流が順タンブル流とは逆に吸気弁配置側から下向きとなってピストン冠面で反転する逆タンブル流タイプのものに較べて、ピストン冠面に設けた凹部壁面への燃料付着を抑制できる効果がある。
【０００４】
しかしながら、前者のものではピストン冠面の排気弁配置側には傾斜した平坦な凸部を形成してあるため、吸気行程で燃焼室に形成された順タンブル流の保存性が悪く該タンブル流が圧縮行程でこの凸部によって減衰されてしまい、成層燃焼時における燃料噴霧の点火プラグ周りへの輸送性が損なわれて燃焼が不安定となってしまう可能性がある。
【０００５】
また、後者のものではピストン冠面には側面ω形状の凹部が形成されていて排気弁配置側にも円弧状凹部が存在するため、前記順タンブル流が保存され易く、従って、成層燃焼時における燃料噴霧の点火プラグ周りへの輸送性は前者のものよりも向上できるとしても、該成層燃焼時に吸気行程から圧縮行程後期のピストン上死点付近に至る間で順タンブル流が減衰されてしまうことは否めず、しかも、この側面ω形状の凹部はピストン冠面のほぼ水平なピストン冠面に凹設して、中央突起部がピストン冠面の基準面よりも大きく突出した形状構成としてあるため、成層燃焼時に噴射燃料がこの中央突起部に衝突して燃料の壁面付着が多く、スモークおよび未燃ＨＣの発生原因となってしまう可能性がある。
【０００６】
そこで、本発明は順タンブル流による燃料噴霧の点火プラグ周りへの輸送性を一段と向上できて成層燃焼を安定化することができると共に、燃料の壁面付着に起因するスモークおよび未燃ＨＣの発生を抑制することができる筒内噴射式火花点火機関を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明にあっては、ペントルーフ形状を有する燃焼室の吸気弁配置側の側部に燃料を直接燃焼室に噴射する燃料噴射弁を設けると共に、燃焼室のほぼ中心に臨む位置に点火プラグを設けた筒内噴射式火花点火機関において、前記吸気弁により開閉される吸気ポート内に、成層燃焼時に吸気行程で燃焼室内に形成される順タンブル流を強化するための流動制御弁を設ける一方、燃焼室のペントルーフ形状に合わせた吸気弁配置側の斜面および排気弁配置側の斜面からなるピストン冠面に、燃焼室のほぼ中心に位置する中央突起部を境にして吸気弁配置側の円弧状凹部と排気弁配置側の円弧状凹部とが隣接した側面ω形状の凹部を形成し、吸気弁配置側の円弧状凹部を排気弁配置側の円弧状凹部よりも幅広に形成したことを特徴としている。
【０００８】
請求項２の発明にあっては、請求項１に記載の流動制御弁は、成層燃焼時に吸気ポート断面積の半分以上のほぼ下半部を遮断するように構成したことを特徴としている。
【０００９】
請求項３の発明にあっては、請求項２に記載の吸気ポートの流動制御弁の上側に、成層燃焼時に吸気の主流を吸気ポート開口部の燃焼室中心側のほぼ半部に指向させる流動ガイド手段を設けたことを特徴としている。
【００１１】
請求項４の発明にあっては、請求項１〜３に記載の側面ω形状の凹部の中央突起部の高さを、ピストン冠面のピストン中心側に向けた延長面よりも低く設定したことを特徴としている。
【００１２】
請求項５の発明にあっては、請求項１〜３に記載の側面ω形状の凹部の中央突起部の高さを、吸気弁配置側の円弧状凹部と排気弁配置側の円弧状凹部の、中央突起部を中心に相対向する各外縁を結ぶ直線よりも低く設定したことを特徴としている。
【００１４】
請求項６の発明にあっては、請求項１〜５に記載の側面ω形状の凹部の深さを、吸気弁配置側の円弧状凹部と排気弁配置側の円弧状凹部の、中央突起部を中心に相対向する各外縁を結ぶ直線から１０ｍｍ以下に設定したことを特徴としている。
【００１５】
請求項７の発明にあっては、請求項１〜６に記載の燃料噴射弁はその燃料噴霧角が大気圧下で５５〜８０度に設定され、かつ、該燃料噴射弁を水平方向に対して２０〜４０度の俯角で取付けたことを特徴としている。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、ピストン冠面には中央突起部を境にして吸気弁配置側の円弧状凹部と排気弁配置側の円弧状凹部とが隣接した側面ω形状の凹部を形成してあって、吸気行程で燃焼室に形成される順タンブル流がこの排気弁配置側の円弧状凹部によって保存され易くなっていることに加えて、吸気ポート内には成層燃焼時に前記順タンブル流を強化するための流動制御弁を設けてあるため、該成層燃焼時には強い順タンブル流が保存されることから、圧縮行程後期に亘ってこの強い順タンブル流の流動勢力が減衰されることがなく、従って、該圧縮行程後期に噴射された燃料噴霧と順タンブル流との衝突によりピストン冠面への燃料付着が抑制されると共に燃料が微粒化され、かつ、この衝突で流体摩擦を最大限に利用できることにより燃料噴霧の気化および可燃混合気の形成が促進される。
【００１７】
そして、ピストン冠面の中央突起部のガイド作用でこの可燃混合気の燃焼室中央の点火プラグ周りへ向けての輸送が良好に行われて周囲への拡散を抑制できるため、成層燃焼を安定化することができると共にピストン冠面への燃料付着に起因するスモーク、未燃ＨＣの低減化とデポジットの堆積を防止できて、成層燃焼の燃焼性の向上と排気性状の改善を実現することができる。
【００１８】
他方、均質燃焼時には吸気行程の途中で燃料噴射弁より燃料が噴射されるが、この場合もピストン冠面の側面ω形状の凹部によって順タンブル流の保存性が高められるため、燃料噴霧と順タンブル流との衝突によるピストン冠面への燃料付着の抑制効果が得られると共に燃料の微粒化と気化の促進効果が得られ、可燃混合気が燃焼室内にほぼ均一に広がって均質燃焼を良好に行わせることができ、従って、この場合もスモークや未燃ＨＣの低減化とデポジット堆積を抑制できると共に、燃焼効率および出力の向上を実現することができる。
また、ピストン冠面に設けた側面ω形状の凹部の中央突起部を燃焼室のほぼ中心に設けてあるため、該中央突起部が燃焼室中心の点火プラグのほぼ直下に位置し、従って、成層燃焼時に前記凹部の排気弁配置側の円弧状凹部によって保存された強力な順タンブル流の主流が、前記中央突起部に沿って巻き上げられて点火プラグに指向するようになり、従って、点火プラグへ燃料噴霧を確実に輸送できて燃料の輸送性をより一層向上できると共に、燃料噴霧の拡散抑制作用が高められて成層燃焼の安定化を更に高めることができる。
更に、吸気弁配置側の円弧状凹部を排気弁配置側の円弧状凹部よりも幅広に形成してあるため、成層燃焼時には燃料噴霧のほぼ全体が吸気弁配置側の円弧状凹部に受容されて、該凹部周囲のピストン冠面上への燃料付着を回避できると共に、点火プラグへの燃料噴霧の良好な輸送性を維持できて成層燃焼の安定化と排気性状の改善とをより効果的に行うことができる。
【００１９】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、流動制御弁は成層燃焼時に吸気ポート断面積の半分以上のほぼ下半部を遮断する部分遮断弁構造としてあるため、簡単な構成でかつ強力な順タンブル流を形成することができて、コスト的におよび設計的に有利に得ることができる。
【００２０】
請求項３に記載の発明によれば、請求項２の発明の効果に加えて、吸気ポートの流動制御弁の上側に、成層燃焼時に吸気の主流を吸気ポート開口部の燃焼室中心側のほぼ半部に指向させる流動ガイド手段を設けてあるため、順タンブル流をより一層強化することができる。
【００２２】
請求項４，５に記載の発明によれば、何れも請求項１〜３の発明の効果に加えて、側面ω形状の凹部の中央突起部の高さをピストン冠面から大きく突出しない適正な高さに設定してあるため、成層燃焼時における中央突起部への燃料噴霧の衝突による付着を可及的に少なく抑制することができて、排気性状を更に改善することができる。
【００２４】
請求項６に記載の発明によれば、請求項１〜５の発明の効果に加えて、側面ω形状の凹部を実験の結果得られた最適の深さに設定してあるから、燃焼性の向上と排気性状の改善とを行える理想的な成層燃焼と均質燃焼とを行わせることができる。
【００２５】
請求項７に記載の発明によれば、請求項１〜６の発明の効果に加えて、燃料噴射弁の燃料噴霧角および取付角度を、実験の結果得られた最適な角度に設定してあるから、燃焼性の向上と排気性状の改善とを行える理想的な成層燃焼と均質燃焼とを行わせることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。
【００２７】
図１，２において、１はシリンダブロック、２はピストン、３はシリンダヘッド、４はこれらシリンダブロック１，ピストン２，およびシリンダヘッド３とで形成されたペントルーフタイプの燃焼室を示す。
【００２８】
シリンダヘッド３は２つの吸気弁５と、該吸気弁５と対向配置した２つの排気弁６とを備え、一側の吸気ポート７から吸気して他側の排気ポート８から排気するクロスフローポート構造としてある。
【００２９】
シリンダヘッド３には燃焼室４のほぼ中央部に点火プラグ９を配設してあると共に、吸気弁５近傍の燃焼室側部、具体的には燃焼室４の側部で２つの吸気ポート７，７の開口部間近傍の位置に燃料噴射弁１０を配設して、該燃料噴射弁１０から直接燃焼室４に燃料噴射するようにしてある。
【００３０】
吸気ポート７，７は吸気行程で燃焼室４内に形成される筒内流動としての縦方向旋回流の中でも、図１の矢印Ａで示すように吸気が点火プラグ９の下側を通って排気弁配置側からピストン２の冠面に向かい、該ピストン冠面で反転して上方の点火プラグ９に向かう順タンブル流を形成し得るようにしてある。
【００３１】
また、吸気ポート７，７内には、成層燃焼時に吸気行程で燃焼室４内に形成される順タンブル流Ａを強化するための流動制御弁１１を設けてある。
【００３２】
この流動制御弁１１は成層燃焼時に吸気ポート７の断面積の半分以上のほぼ下半部を遮断する部分遮断弁として構成してあり、また、該流動制御弁１１の上側には、成層燃焼時に吸気の主流を吸気ポート７の燃焼室４に臨む開口部の燃焼室中心側のほぼ半部に指向させる流動ガイド手段１２を設けてある。
【００３３】
本実施形態では流動ガイド手段１２として、吸気ポート７内をほぼ上下に隔成して先端が吸気弁５の近くまで延びる隔壁１２ａで構成した場合を示しているが、図１の仮想線で示すように吸気弁５近傍の吸気ポート上壁より空気を噴射するサブポート１２ｂで構成してもよく、あるいはこれら隔壁１２ａとサブポート１２ｂとを併設したものであってもよい。
【００３４】
一方、ピストン２の冠面には中央突起部１６を境にして吸気弁配置側の円弧状凹部１４と排気弁配置側の円弧状凹部１５とが隣接した側面ω形状の凹部１３を形成してある。
【００３５】
中央突起部１６の先端はこれら吸気弁配置側の円弧状凹部１４と排気弁配置側の円弧状凹部１５の各中央側の縁部の交点として先鋭状に形成され、本実施形態ではこの中央突起部１６を点火プラグ９のほぼ直下となる燃焼室４のほぼ中心に設定してある。
【００３６】
また、この実施形態ではピストン２の冠面を燃焼室４のペントルーフ形状に合わせて吸気弁配置側および排気弁配置側の面を、ピストン中心を中心としてほぼ線対称の斜面として形成してあるため、前記中央突起部１６の高さは後述するように、これら斜面Ｓの延長面Ｓ１  よりも低く設定することが望ましく、本実施形態では前記中央突起部１６の高さを、吸気弁配置側の円弧状凹部１４と排気弁配置側の円弧状凹部１５の、中央突起部１６を中心に相対向する各外縁Ｓ・Ｅ，Ｓ・Ｅを結ぶ直線Ｌよりも低く設定してある。
【００３７】
以上の実施形態の構造によれば、ピストン冠面には中央突起部１６を境にして吸気弁配置側の円弧状凹部１４と排気弁配置側の円弧状凹部１５とが隣接した側面ω形状の凹部１３を形成してあって、吸気行程で吸気ポート７から吸入されて燃焼室４内に形成される吸気の順タンブル流Ａがこの排気弁配置側の円弧状凹部１５によって保存され易くなっていることに加えて、該吸気ポート７内には成層燃焼時に前記順タンブル流Ａを強化するための流動制御弁１１を設けてあるため、成層燃焼時にはこれら流動制御弁１１による順タンブル流Ａの強化作用と、排気弁配置側の円弧状凹部１５による流動保存作用とによって、燃焼室４内には圧縮行程後期に亘ってこの強い順タンブル流Ａの流動勢力が減衰されることがない。
【００３８】
従って、この圧縮行程後期に燃料噴射弁１０から燃料が噴射されると、燃料噴霧は図１の矢印Ｆで示すように吸気弁配置側の円弧状凹部１４に指向するが、この燃料噴霧Ｆは前記強い順タンブル流Ａと衝突してピストン冠面への燃料付着が抑制されると共に燃料が微粒化され、かつ、この衝突で流体摩擦を最大限に利用できることにより燃料噴霧Ｆの気化および可燃混合気の形成が促進される。
【００３９】
そして、ピストン冠面の中央突起部１６のガイド作用でこの可燃混合気の燃焼室中央の点火プラグ９周りへ向けての輸送が良好に行われて周囲への拡散が抑制されるから、成層燃焼を安定化することができると共にピストン冠面への燃料付着に起因するスモーク，未燃ＨＣの低減化とデポジットの堆積を防止でき、成層燃焼の燃焼性の向上と排気性状の改善とを実現することができる。
【００４０】
特に、本実施形態では前述の流動制御弁１１として、吸気ポート７の略下半部を遮断するようにした構造が簡単で設計上有利な部分遮断弁を採用し、そして、この部分遮断弁１１の上側に流動ガイド手段１２として吸気ポート７を上下に隔成する隔壁１２ａを設けて、成層燃焼時に吸気の主流を吸気ポート７の燃焼室４に臨む開口部の燃焼室中心側のほぼ半部に指向させるようにしてあるため、該成層燃焼時に燃焼室４内に形成される順タンブル流Ａの流動勢力を更に高めることができ、これと併せて、側面ω形状の凹部１３の中央突起部１６を点火プラグ９のほぼ直下となる燃焼室４のほぼ中心に設定してあって、前記流動勢力の強い順タンブル流Ａの主流が中央突起部１６に沿って巻き上げられて点火プラグ９へ指向するようになるから、該点火プラグ９への燃料の輸送性をより一層向上できると共に、燃料噴霧の拡散抑制作用が高められて成層燃焼の安定化を更に高めることができる。
【００４１】
また、前記中央突起部１６の高さは、ピストン冠面の斜面Ｓと交差する側面ω形状の凹部１３の外縁Ｓ・Ｅ，Ｓ・Ｅを結ぶ直線Ｌよりも低く設定してあるため、成層燃焼時に圧縮行程で噴射された燃料噴霧Ｆが該中央突起部１６に衝突して付着するのを可及的に少なく抑制できて、スモーク，未燃ＨＣの低減効果を更に高めることができる。
【００４２】
ここで、本発明者の実験によれば前記側面ω形状の凹部１３の外縁Ｓ・Ｅ，Ｓ・Ｅを結ぶ直線からの深さ、即ち、吸気弁配置側の円弧状凹部１４および排気弁配置側の円弧状凹部１５の深さを１０ｍｍ以下に設定することにより、順タンブル流Ａの保存性を損なわずに燃料の壁面付着量を大幅に低減できることが確認されている。
【００４３】
図５，６は燃料の壁面付着に関する実験結果を示すもので、燃焼室内の吸気の流れがスワール（横渦）流であった従来のエンジンでは図５のｉ，ｊ線で示すように燃料の壁面付着量が比較的多くなる傾向にあるが、本発明の、吸気の流れを順タンブル流とし、側面ω形状の凹部１３の深さを１０ｍｍとして中央突起部１６の高さを８ｍｍに設定したものでは図５のａ線で示すように燃料の壁面付着量は低減し、また、該中央突起部１６の高さを８ｍｍよりも低く設定した数種のタイプでは同図のｂ〜ｈ線で示すように更に燃料の壁面付着量を低減できる。
【００４４】
従って、前記側面ω形状の凹部１３の深さは前述の１０ｍｍ以下に設定することが望ましい。
【００４５】
また、燃料噴射弁１０についてはその燃料噴霧角を大気圧下で５５〜８０度の範囲に設定することが望ましく、該範囲よりも小さいと燃料噴霧のペネトレーションが強くピストン冠面への燃料付着量が多くなってしまい、逆に前記範囲よりも大きいと燃料噴霧の広がりが大きく点火プラグ９の燃料被りによるくすぶりが生じて燃焼性が悪化してしまう。そして、このように燃料噴射弁１０の燃料噴霧角を最適値に設定しても、その取付角度を適切に設定することが肝要で、図６に示すように燃料噴射弁１０を水平方向に対して２０度以下に寝かせた場合、および水平方向に対して４０度以上に起立させた場合には何れも燃料の壁面付着量が多くなってしまう。そこで、該燃料噴射弁１０はその燃料噴霧角を大気圧下で５５〜８０度に設定すると共に、取付角度を水平方向に対して２０〜４０度の俯角に設定することが望ましい。
【００４６】
一方、均質燃焼時には吸気行程の途中で燃料噴射弁１０より燃料が噴射されるが、この場合もピストン冠面の側面ω形状の凹部１３によって順タンブル流Ａの保存性が高められるため、燃料噴霧Ｆと順タンブル流Ａとの衝突によるピストン冠面への燃料付着の抑制効果が得られると共に燃料の微粒化と気化の促進効果が得られ、可燃混合気が燃焼室４内にほぼ均一に広がって均質燃焼を良好に行わせることができ、従って、この場合もスモークや未燃ＨＣの低減効果とデポジット堆積を抑制できると共に、燃焼効率および出力の向上を実現できる。
【００４７】
図３，４は本発明の第２実施形態を示すもので、この実施形態にあってはピストン冠面に設けた側面ω形状の凹部１３の中央突起部１６を燃焼室４のほぼ中心に設定すると共に、吸気弁配置側の円弧状凹部１４を成層燃焼時に燃料噴射弁１０から噴射された燃料噴霧Ｆのほぼ全体を受容し得るように排気弁配置側の凹部１５よりも幅広に形成してある。
【００４８】
従って、この第２実施形態の構造によれば前記第１実施形態の効果に加えて、成層燃焼時には燃料噴霧Ｆのほぼ全体が吸気弁配置側の円弧状凹部１４に受容されて、該凹部１４周囲の冠面上への燃料付着を回避できると共に、点火プラグ９への燃料噴霧Ｆの良好な輸送性を維持できて成層燃焼の安定化と排気性状の改善とをより効果的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を概略的に示す断面説明図。
【図２】同実施形態におけるピストン冠面の平面説明図。
【図３】本発明の第２実施形態を概略的に示す断面説明図。
【図４】同実施形態におけるピストン冠面の平面説明図。
【図５】ピストン冠面形状による燃料の壁面付着実験結果を示す線図。
【図６】燃料噴射弁取付角度による燃料の壁面付着実験結果を示す線図。
【符号の説明】
１  シリンダブロック
２  ピストン
３  シリンダヘッド
４  燃焼室
５  吸気弁
６  排気弁
７  吸気ポート
８  排気ポート
９  点火プラグ
１１  流動制御弁
１２  流動ガイド手段
１３  側面ω形状の凹部
１４  吸気弁配置側の凹部
１５  排気弁配置側の凹部
Ａ  順タンブル流
Ｆ  燃料噴霧
Ｓ１    ピストン冠面の延長面
Ｓ・Ｅ  凹部の外縁
【図１】
0003562342.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】
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