(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
点火プラグと、ピストン頂面に形成されたキャビティと、前記キャビティ内に燃料を比較的厚さの薄い略扇状に噴射する燃料噴射弁とを具備し、前記燃料を前記点火プラグ近傍へ導くための前記燃料噴射弁に対向する前記キャビティの側壁は、前記燃料の中心垂直平面から離間して前記中心垂直平面に略平行な第一垂直平面に対して略対称な水平円弧形状を有し、前記キャビティ内に噴射された前記燃料は、前記キャビティの底壁に衝突した後に前記底壁上を燃料幅方向に拡がりながら前記側壁の方向へ進行し、前記側壁によって前記第一垂直平面方向へ斜め上方向に偏向されて前記点火プラグ近傍へ導かれる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】
前記燃料噴射弁の噴孔位置は、前記キャビティの側壁の円弧中心を通り前記第一垂直平面に直交する第二垂直平面に対して前記側壁の反対側に位置す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ことにより、点火時点において点火プラグ近傍だけに混合気を形成し、気筒内全体としては希薄な混合気の燃焼を可能にする成層燃焼が公知である。成層燃焼を実施する際には、一般的に、燃料噴射弁は、圧縮行程後半に設定された燃料噴射開始クランク角度から必要燃料量を噴射するのに要求される時間だけ開弁されるようになっている。こうして噴射された燃料は、ピストン頂面に形成された凹状の燃焼室内へ進入し、燃焼室壁面から熱を奪って気化しながら燃焼室形状によって点火プラグ方向へ偏向され、点火プラグ近傍に着火性の良好な混合気を形成することが意図されている。
【０００３】
一般的な燃料噴射弁は、燃料を円錐状に集中して噴射するものである。それにより、燃料噴射末期に噴射された燃料が燃焼室壁面からの熱によって可燃混合気となるのに必要な時間が比較的長くなり、この時間を確保するために、燃料噴射終了時期を早めなければならない。それにより、圧縮行程後半において噴射可能な燃料量は必然的に少なくなり、必要燃料量が比較的多くなる高負荷時には成層燃焼を断念せざるを得なかった。燃料消費率の低減に有効である成層燃焼を、より広い機関運転状態で実施することが望まれている。
【０００４】
特開平９−１５８７３６号公報には、スリット形状の噴孔を有する燃料噴射弁を使用して、燃料を比較的厚さの薄い平らな扇状に噴射することが提案されている。こうして噴射された燃料は広範囲の燃焼室壁面から熱を奪えるために、短時間で可燃混合気とすることができ、燃料噴射終了時期を遅らせることが可能となるために、圧縮行程後半において噴射可能な燃料量を増加することができ、成層燃焼領域を高負荷側に拡大することができるとされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来技術によって、燃料噴射終了時期を遅らせても、噴射された燃料を点火時点において確実に可燃混合気とすることができる。こうして形成された可燃混合気は、幅に比較して短い長さを有する平らな形状を有し、略長さ方向に上昇する。この可燃混合気が上昇中において点火プラグに接触している間に、点火時期を迎えなければならないが、この可燃混合気は長さが比較的短いために、上昇中において点火プラグに接触している時間は比較的短く、可燃混合気の形成時期の僅かなずれによって、点火時点において可燃混合気が点火プラグを既に通過している可能性があり、確実な着火性が確保できない。
【０００６】
従って、本発明の目的は、燃料を比較的厚さの薄い平らな扇状に噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関において、確実な着火性を確保して確実に成層燃焼領域を高負荷側に拡大可能とすることである。
【０００７】
【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、点火プラグと、ピストン頂面に形成されたキャビティと、前記キャビティ内に燃料を比較的厚さの薄い略扇状に噴射する燃料噴射弁とを具備し、前記燃料を前記点火プラグ近傍へ導くための前記燃料噴射弁に対向する前記キャビティの側壁は、前記燃料の中心垂直平面から離間して前記中心垂直平面に略平行な第一垂直平面に対して略対称な水平円弧形状を有し、前記キャビティ内に噴射された前記燃料は、前記キャビティの底壁に衝突した後に前記底壁上を燃料幅方向に拡がりながら前記側壁の方向へ進行し、前記側壁によって前記第一垂直平面方向へ斜め上方向に偏向されて前記点火プラグ近傍へ導かれることを特徴とする。
【０００８】
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、前記燃料噴射弁の噴孔位置は、前記キャビティの側壁の円弧中心を通り前記第一垂直平面に直交する第二垂直平面に対して前記側壁の反対側に位置す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第一実施形態を示す概略縦断面図であり、図２は図１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は排気ポートである。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、６は気筒略中心上部に配置された点火プラグである。燃料噴射弁７は、燃料を比較的厚さの薄い平らな所定夾角ＴＨの扇状に噴射するものである。
【００１０】
燃料噴射弁７は、例えば、高い機関出力が必要な均一燃焼領域において、吸気行程で必要燃料量を噴射し、点火時点で気筒内に均一混合気を形成するようになっている。一方、成層燃焼領域においては、圧縮行程後半の機関運転状態毎に設定されたクランク角度から燃料噴射を開始して必要燃料量を噴射するようになっている。圧縮行程後半で噴射された燃料は、図１に示すように、ピストン５の頂面に形成された凹状のキャビティ８内へ進入し、キャビティ８の底壁８ａに衝突した後に、底壁８ａに沿って側壁８ｂの方向に進行する。キャビティ８の側壁８ｂは、底壁８ａに滑らかに接続された垂直円弧形状を有しており、それにより、側壁８ｂに到達した燃料は側壁８ｂに沿って手前上方向に偏向され、点火プラグ６へ向けられる。以下の説明を含めて手前とは、燃料噴射弁側である。
【００１１】
キャビティ８の底壁８ａに衝突した後の燃料は、燃料噴射弁７により噴射される燃料が比較的厚さの薄い平らな扇状であるために、図２にドットで示すように、キャビティ８の底壁８ａ及び側壁８ｂ上をさらに燃料幅方向に拡がりながら進行し、燃料各部分は、キャビティ８から熱を良好に吸収するために短時間で着火性の良好な混合気（以下、可燃混合気と称する）となる。成層燃焼を実現するためには、少なくとも燃料噴射末期に噴射された燃料が点火時点において可燃混合気となっていなければならないが、このように比較的厚さの薄い平らな扇状に燃料を噴射することで、燃料噴射終了から点火までの時間を短くすることができ、すなわち、燃料噴射終了を遅らせることができ、比較的多量の燃料を点火時点において可燃混合気とすることが可能となる。
【００１２】
こうして形成された可燃混合気は、図４に実線Ｍで示すように、幅に比較して短い長さを有する平らな形状を有している。図示されていないが、その厚さは比較的薄いものである。従来においては、図４（Ａ）に示すように、可燃混合気Ｍは略長さ方向に上昇するために、可燃混合気が距離Ｌ１を移動する間の比較的短い時間しか可燃混合気Ｍは点火プラグの点火位置Ｐと接触しておらず、この比較的短い時間で点火時期を迎えなければならない。それにより、燃料噴射時期の僅かなずれ等によって可燃混合気の形成時期に僅かなずれが発生すると、点火時期において、可燃混合気が点火プラグを既に通過している可能性があり、確実な着火性を確保することができない。
【００１３】
本発明は、この問題を解決することを意図している。本実施形態におけるピストン５の頂面に形成されたキャビティ８の側壁８ｂは、第一垂直平面Ｎ１に対して略対称な水平円弧形状を有している。本実施形態において、第一垂直平面Ｎ１は、ピストン５の中心を通る垂直平面と一致しているが、これは本発明を限定するものではない。また、燃料噴射弁７は、噴射された略扇状の燃料における中心垂直平面Ｎｃが、第一垂直平面Ｎ１から離間して第一垂直平面Ｎ１と略平行となるように、配置されている。すなわち、キャビティ８の側壁８ｂの中心である第一垂直平面Ｎ１に対して、燃料の中心垂直平面Ｎｃはオフセットされている。
【００１４】
また、燃料噴射弁７は吸気ポート１側の気筒外周部に配置され、燃料噴射弁７の噴孔位置Ｉは、キャビティ８の側壁８ｂの円弧中心Ｃを通って第一垂直平面Ｎ１の直交する第二垂直平面Ｎ２に対して、側壁８ｂの反対側となっている。
【００１５】
図３は、燃料噴射弁７とキャビティ８の側壁８ｂとの前述した位置関係を示す概略拡大平面図である。燃料噴射弁７から噴射された燃料は、所定夾角ＴＨでキャビティ８の側壁８ｂに到達して手前上方向に偏向されると共に、燃料の各進行方向が、水平方向において側壁８ｂに対して右側（以下を含めて、左右を表現する場合には、燃料噴射弁から見てである）から鋭角を形成するために、全て左方向、すなわち、第一垂直平面Ｎ１方向に偏向される。これは、燃料噴射弁７から噴射される燃料の中心垂直平面Ｎｃがオフセットにより第一垂直平面Ｎ１に対して右側に位置しているためであり、燃料の各進行方向と、側壁８ｂの円弧中心Ｃを通り各進行方向と平行な方向、すなわち、各進行方向と平行で側壁８ｂに対して直交する方向とを（例えば、ｆ１とｆ２とを）比較すれば明らかである。
【００１６】
こうして、キャビティ８の側壁８ｂによって、略扇状に噴射された燃料が手前上方向に偏向されると共に左方向に偏向されると、この燃料により形成される可燃混合気は、点火プラグ６に対して平面的には右下から斜め上方向に移動する。すなわち、図４（Ｂ）に示すように、可燃混合気Ｍは、略斜め左上方向に上昇する。それにより、可燃混合気Ｍが距離Ｌ２を移動する間において可燃混合気Ｍは点火位置Ｐと接触している。可燃混合気Ｍの移動速度は、噴射された燃料が有する運動エネルギによるものであり、図４（Ａ）に示す従来の場合と図４（Ｂ）に示す本実施形態の場合においてほぼ等しいと考えられる。
【００１７】
距離Ｌ２は、前述の距離Ｌ１に比較して十分に長く、すなわち、本実施形態によれば、可燃混合気は点火位置Ｐと比較的長い時間において接触し続けるために、燃料噴射時期の僅かなずれ等によって可燃混合気の形成時期に僅かなずれが発生しても、点火時期において、可燃混合気が点火プラグを既に通過している可能性はなく、確実な着火性を確保することができる。
【００１８】
また、本実施形態において、前述したように、燃料噴射弁７の噴孔位置Ｉは、第二垂直平面Ｎ２より側壁８ｂの反対側に位置している。これは、図３に一点鎖線で示すように、燃料噴射弁７’の噴孔位置Ｉ’が第二垂直平面Ｎ２より側壁側に位置する場合に比較して、左側の燃料における各進行方向が、側壁８ｂに対して大きな鋭角を形成することになる。
【００１９】
それにより、可燃混合気となって移動する際に、可燃混合気の左側は、左側方向へゆっくりと移動するために、可燃混合気がシリンダボアに接触し難くなる。こうして、シリンダボアに燃料が付着してエンジンオイルの希釈させる等の問題を防止することができる。
【００２０】
【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、点火プラグと、ピストン頂面に形成されたキャビティと、キャビティ内に燃料を比較的厚さの薄い略扇状に噴射する燃料噴射弁とを具備し、燃料を点火プラグ近傍へ導くための燃料噴射弁に対向するキャビティの側壁は、燃料の中心垂直平面から離間して中心垂直平面に略平行な第一垂直平面に対して略対称な水平円弧形状を有しているために、燃料により形成される可燃混合気は、キャビティの側壁によって第一垂直平面方向に偏向されて点火プラグ方向へ導かれるために、この略斜め上方向への移動によって点火プラグと可燃混合気とが接触し続ける時間が延長し、確実な着火性を確保することができる。
【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】燃料噴射弁とキャビティとの位置関係を示す概略拡大平面図である。
【図４】可燃混合気の挙動を説明する図であり、（Ａ）は従来、（Ｂ）は本実施形態の場合を示している。
【符号の説明】
５…ピストン
６…点火プラグ
７…燃料噴射弁
８…キャビティ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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