(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッド燃焼室壁面の中央部から燃焼室内に臨ませた点火プラグと、シリンダヘッド燃焼室壁面の吸気弁側の側部から燃焼室内に臨ませた燃料噴射弁と、ピストン冠面に設けられて吸気のタンブル流を助長する溝部と、を備え、少なくとも所定の運転条件にて圧縮行程中に燃料噴射弁から燃料を噴射して成層燃焼を行わせるようにした直噴火花点火式内燃機関において、
燃焼室内に、ピストン冠面の溝部により案内されて燃料噴射弁近傍へ向かい、燃料噴射弁近傍から点火プラグ近傍へ向かう流れとなる順タンブル流を生成する一方、前記溝部の幅を排気弁側を広く、吸気弁側を狭くし、かつ、前記溝部の深さを排気弁側を浅く、吸気弁側を深くし、かつ、前記溝部の順タンブル流と直交する方向の断面積を、ピストンの中心部を含み排気弁側と吸気弁側とに延びる所定範囲にわたって、ほぼ同一としたことを特徴とする直噴火花点火式内燃機関。
【請求項２】
吸気弁側から排気弁側への前記溝部の幅角度を、燃料噴射弁の噴霧角より大きくしたことを特徴とする請求項１記載の直噴火花点火式内燃機関。
【請求項３】
圧縮行程中に燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧を順タンブル流に乗せて点火プラグ方向へ輸送することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の直噴火花点火式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直噴火花点火式内燃機関の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の直噴火花点火式内燃機関として、例えば特開平９−３１７４７９号公報に示されるように、シリンダヘッド燃焼室壁面の中央部から燃焼室内に臨ませた点火プラグと、シリンダヘッド燃焼室壁面の吸気弁側の側部から燃焼室内に臨ませた燃料噴射弁と、ピストン冠面に設けられて吸気のタンブル流（縦方向の旋回流）を助長する溝部（誘導溝）と、を備え、所定の運転条件にて圧縮行程中に燃料噴射弁から燃料を噴射して成層燃焼を行わせるようにしたものがある。
【０００３】
また、前記公報に示される直噴火花点火式内燃機関では、旋回流が吸気弁から下方へ燃料噴射弁近傍を経てピストン冠面側に向かい、該冠面の溝部により案内されつつ反転して点火プラグに向かう流れとなる逆タンブル流を生成し、前記溝部は、吸気弁側から中心に向かって噴霧角と等しい角度で広がる誘導溝としている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の直噴火花点火式内燃機関では、成層燃焼を可能にすべく、逆タンブル流とピストン冠面の溝部とを用いて、点火プラグ近傍に燃料を集めようとしているために、噴射燃料がピストン冠面の溝部に衝突し、燃料が液膜状に付着して出力不足を来してしまうのみならず、スモークや未燃ＨＣの発生原因になったり、付着した燃料がデポジットとして堆積してしまい、燃費や排気が悪化してしまう可能性がある。
【０００５】
また、ピストン冠面の溝部を吸気弁側から中心に向かって噴霧角と等しい角度で広がる誘導溝としているため、溝部により燃料を案内しても、一点に集中させることが困難で、燃料が分散してしまい、点火プラグ近傍へ燃料を層状に確実に輸送することができず、成層燃焼性能が悪化する可能性がある。
【０００６】
また、ピストン冠面の溝部の排気弁側の溝端部を高くしているので、圧縮行程時に噴射した燃料が冠面に衝突しやすくなり、燃費や出力の悪化が起こる可能性がある。
【０００７】
本発明は、このような実状に鑑みてなされたもので、順タンブル流を生成することにより、燃料噴霧のピストン冠面への衝突を回避する一方、ピストン冠面の溝部の形状を工夫することにより、ピストン冠面の溝部より空気流を一点に集めて燃料噴射弁近傍に導くことて、燃料噴霧を点火プラグ近傍へ層状に確実に輸送できるようにすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明では、シリンダヘッド燃焼室壁面の中央部から燃焼室内に臨ませた点火プラグと、シリンダヘッド燃焼室壁面の吸気弁側の側部から燃焼室内に臨ませた燃料噴射弁と、ピストン冠面に設けられて吸気のタンブル流を助長する溝部と、を備え、少なくとも所定の運転条件にて圧縮行程中に燃料噴射弁から燃料を噴射して成層燃焼を行わせるようにした直噴火花点火式内燃機関において、燃焼室内に、ピストン冠面の溝部により案内されて燃料噴射弁近傍へ向かい、燃料噴射弁近傍から点火プラグ近傍へ向かう流れとなる順タンブル流を生成する一方、前記溝部の幅を排気弁側を広く、吸気弁側を狭くし、かつ、前記溝部の深さを排気弁側を浅く、吸気弁側を深くし、かつ、前記溝部の順タンブル流と直交する方向の断面積を、ピストンの中心部を含み排気弁側と吸気弁側とに延びる所定範囲にわたって、ほぼ同一としたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明では、吸気弁側から排気弁側への前記溝部の幅角度を、燃料噴射弁の噴霧角より大きくしたことを特徴とする。
請求項３に係る発明では、圧縮行程中に燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧を順タンブル流に乗せて点火プラグ方向へ輸送することを特徴とする。
【００１０】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、燃料噴射弁から噴射された燃料が直接点火プラグ近傍に向かうように順タンブル流を生成することで、燃料のピストン冠面への衝突を回避できる。そして、タンブル流を誘導するピストン冠面の溝部の幅を排気弁側を広く、吸気弁側を狭くし、また、溝部の深さを排気弁側を浅く、吸気弁側を深くすることにより、排気弁側から溝部に入ったタンブル流をはみ出させることなく吸気弁側（燃料噴射弁下方）へ誘導し、かつ一点に集中させて流れを強くすることができ、効果的に燃料噴射弁からの噴霧を持ち上げて点火プラグ方向へ導くことが可能となり、より安定した燃焼を行わせることができる。また、強化されたタンブル流により噴霧が流れに乗り損ねることなく点火プラグに輸送されるため、未燃ＨＣの発生や、噴霧がピストン冠面等に付いてデポジットが堆積するのを抑制でき、一層の燃費、排気の向上を図ることができる。
【００１１】
更に、溝部の順タンブル流と直交する方向の断面積を、ピストンの中心部を含み排気弁側と吸気弁側とに延びる所定範囲にわたって、ほぼ同一とすることで、溝部からのタンブル流のはみ出しをより確実に防止して、誘導効果をより高めることができる。
【００１２】
請求項２に係る発明によれば、前記溝部の幅角度を、燃料噴射弁の噴霧角より大きくすることで、噴霧を冠面に当てることなく、タンブル流に確実に乗せることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す直噴火花点火式内燃機関の断面図、図２はピストン冠面の平面図、図３はピストン冠面の斜視図である。
【００１４】
図１を参照し、１はシリンダブロック、２はシリンダヘッド、３はピストン、４はこれらシリンダブロック１、シリンダヘッド２及びピストン３により形成される燃焼室を示している。
【００１５】
シリンダヘッド２には、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、吸気ポート７から吸気して排気ポート８から排気するクロスフローポート構造としてある。
【００１６】
また、シリンダヘッド２には、シリンダヘッド１燃焼室壁面の中央部から燃焼室４内に臨ませた点火プラグ９と、シリンダヘッド１燃焼室壁面の吸気弁５側の側部（２つの吸気弁間でかつ下側）から燃焼室４内に臨ませた燃料噴射弁１０と、が取付けられている。
【００１７】
ここで、吸気ポート７の設定により、燃焼室４内に吸気のタンブル流（縦方向の旋回流）として、図１に矢印ａで示す順タンブル流（すなわち、燃料噴射弁１０近傍から直接点火プラグ９近傍へ向かう流れ）を生成するようにしてある。
【００１８】
そして、ピストン３の冠面には、タンブル流を助長する溝部（スロープ溝）１１が形成されている。
従って、前記タンブル流ａは、ピストン３の冠面の溝部１１により案内されて燃料噴射弁１０近傍へ向かい、燃料噴射弁１０近傍から点火プラグ９近傍へ向かう流れとなる。
【００１９】
以下に溝部１１について詳しく説明する。
溝部１１は、図１のように、側面から見た状態において、吸気のタンブル流ａの流れ方向に円弧となる形状にする一方、排気弁６側を浅くし、吸気弁５側を深くしてある。
【００２０】
本実施形態では、溝部１１の一番深い所αは、ピストン３の中心部より、吸気弁５側ヘシリンダボア直径の５〜２０％オフセットさせてあり、深さはシリンダボア直径の５〜２０％とする。これは、スロープ深さを浅くしすぎると、タンブル流の形成がうまくできず、逆に深くしすぎると、冠面厚さが厚くなってしまい、ピストンヘッドが重くなってしまうためである。尚、α部にて、排気側の曲線Ｒ１と吸気側の曲線Ｒ２とが同一接線上でつながるようにする。
【００２１】
溝部１１の始端及び終端からピストン３冠面周縁部までの各距離βは、吸気、排気側共に、シリンダボア直径の５〜１５％とする。ピストン３の強度上の理由から、下限が定まると共に、排気側はこの値が大きいとタンブル流が溝部１１内に入りにくくなり、ペントルーフ側から来たタンブル流を阻害することになるためであり、吸気側はこの値が大きいとタンブル流を燃料噴射弁１０近傍へ導くことができなくなるためである。
【００２２】
また、溝部１１は、図２のように、上面から見た状態において、排気弁６側を広く、吸気弁５側を狭くしてある。
本実施形態では、ピストン３の中心部での溝部１１の幅γはシリンダボア直径の５０〜７０％とし、ピストン３の中心部から吸気、排気側へそれぞれシリンダボア直径の５〜２０％の所定範囲ｓにおいて、溝部１１のタンブル流と直交する方向の断面積が中心部の断面積とほぼ同等になるように曲率を決めている。
【００２３】
また、上記のようにして、溝部１１の幅を排気弁６側を広く、吸気弁５側を狭くするが、溝部１１の幅角度δは、圧縮行程噴射時の燃料噴射弁１０の噴霧角θを考慮して、δ＞θとする。例えば、噴霧角θ＝５０°とすれば、幅角度δ＝６０°程度とする。
【００２４】
以上の実施形態の構造によれば、所定の運転条件にて圧縮行程中に燃料噴射弁１０から燃料を噴射して成層燃焼を行わせる際に、燃料噴射弁１０から噴射された燃料が直接点火プラグ９近傍に向かうように順タンブル流を生成することで、燃料のピストン３冠面への衝突を回避できる。
【００２５】
そして、ピストン３冠面上のタンブル流を誘導する溝部１１の幅を、排気弁６側を広く、吸気弁５側を狭くし、溝部１１の深さを、排気弁６側を浅く、吸気弁５側を深くすることにより、図３に示すように、排気弁６側から溝部１１に入ったタンブル流をはみ出させることなく吸気弁５側（燃料噴射弁１０下方）へ誘導し、かつ一点に集中させることで流れを強くすることができる。
【００２６】
従って、成層燃焼運転時に圧縮行程で燃料噴射弁１０から噴射された燃料をこのタンブル流に乗せて、効果的に持ち上げることで、点火プラグ９へ層状に確実に輸送でき、安定した燃焼を行わせることができる。
【００２７】
図４は、本発明の溝部を備えるものと、通常の溝部を備えるものとについて、空燃比（Ａ／Ｆ）を変化させた場合の、図示平均有効圧の変動率を示したもので、本発明によれば、極リーン空燃比においても、図示平均有効圧の変動率を小さく抑え、安定度を向上させることができ、リーン限界を拡大することができる。
【００２８】
また、強化されたタンブル流により噴霧が流れに乗り損ねることなく点火プラグ９に輸送されるため、未燃ＨＣの発生や、噴霧がピストン３冠面等に付着してデポジットが堆積するのを抑制でき、一層の燃費、排気の向上を図ることができる。
【００２９】
また、溝部１１のタンブル流と直交する方向の断面積を、タンブル流の方向の所定範囲ｓにわたって、ほぼ同一とすることで、溝部１１からのタンブル流のはみ出しをより確実に防止して、誘導効果をより高めることができる。
【００３０】
また、溝部１１の幅角度δを、燃料噴射弁１０の噴霧角θより大きくすることで、噴霧を冠面に当てることなく、タンブル流に確実に乗せることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す直噴火花点火式内燃機関の断面図
【図２】ピストン冠面の平面図
【図３】ピストン冠面の斜視図
【図４】本発明によるリーン限界改善効果を示す図
【符号の説明】
１  シリンダブロック
２  シリンダヘッド
３  ピストン
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
１０  燃料噴射弁
１１  溝部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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