(57)【要約】【課題】幅広い負荷域で所望する大きさのむらのない成層混合気塊を形成することができ、安定した成層燃焼が可能な筒内直接噴射式内燃機関を提供する。【解決手段】ピストン冠面に凹部１５を具備する筒内直接噴射式内燃機関において、凹部１５の底部に溝状のキャビティ１６を形成し、一時の燃料噴射によって前記凹部１５および溝状のキャビティ１６の双方に燃料噴霧を衝突させる。その結果、凹部１５および溝状のキャビティ１６のそれぞれの形状によって異なる混合気塊を形成することができる。そして、全体として所望する大きさのむらのない混合気塊を、幅広い負荷域において形成することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室上部に点火プラグと燃料噴射弁とを具備し、ピストン冠面に凹部を有する筒内直接噴射式内燃機関において、
前記凹部の底部に溝状のキャビティを設け、前記燃料噴射弁から一時に噴射した放射状の燃料噴霧が、前記凹部および前記溝状のキャビティの双方に衝突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】
前記凹部は、燃焼室の吸排方向の縦断面形状が、前記燃料噴射弁に対して凹となる湾曲面に形成し、前記燃焼室に生起されるタンブル流を、前記湾曲面に沿って保持するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項３】
前記凹部および前記溝状のキャビティの双方に衝突する燃料噴霧のうち、前記凹部に衝突する燃料噴霧は、前記凹部の側部に衝突する時期に噴射し、形成される混合気塊が前記燃焼室の中心方向に巻き上がるようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項４】
前記凹部および前記溝状のキャビティの双方に衝突する燃料噴霧のうち、前記凹部に衝突する燃料噴霧は、前記溝状のキャビティ周辺の前記凹部の底部に衝突する時期に噴射し、形成される混合気塊がピストン冠面周縁方向に巻き上がるようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項５】
前記溝状のキャビティは、その長手方向がピストン冠面中心部を指向、もしくはピストン冠面中心部を通り、前記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が前記溝状のキャビティに衝突した際に、燃料噴霧が前記溝状のキャビティの底面に沿ってピストン周縁側の長手方向に移動し、形成された混合気塊がピストン周縁側の長手方向の側面付近から巻き上がることを特徴とする請求項１から４のいずれかひとつに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項６】
前記点火プラグと前記燃料噴射弁を、前記溝状のキャビティの上方で、かつ、前記溝状のキャビティの長手方向に沿って配設したことを特徴とする請求項５に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項７】
前記燃焼室上部の吸気側に前記点火プラグを、排気側に前記燃料噴射弁をそれぞれ設けたことを特徴とする請求項６に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項８】
機関負荷が比較的低負荷時には、前記溝状のキャビティと前記溝状のキャビティ周辺の前記凹部の底部に燃料噴霧を衝突させ、機関負荷が比較的高負荷時には前記溝状のキャビティと前記凹部の側部に燃料噴霧を衝突させることを特徴とする請求項３または４に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項９】
機関負荷が特定の運転条件において圧縮行程中に２度の燃料噴射を行い、１度目の燃料噴射は前記溝状のキャビティと前記凹部の側部に燃料噴霧を衝突させ、２度目の燃料噴射は前記溝状のキャビティと前記溝状のキャビティ周辺の前記凹部の底部に燃料噴霧を衝突させることを特徴とする請求項３または４に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項１０】
前記溝状のキャビティを複数有することを特徴とする請求項５に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項１１】
前記溝状のキャビティは、ピストン冠面で見て、長方形のキャビティであることを特徴とする請求項５に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項１２】
前記溝状のキャビティは、ピストン冠面中心側に先端を有し、周縁方向に向かって放射状に形成される、ピストン冠面で見て、複数の滴形のキャビティであることを特徴とする請求項５に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項１３】
前記溝状のキャビティは、ピストン冠面で見て、ピストン冠面中心部で複数の溝状のキャビティが結合したキャビティであることを特徴とする請求項５に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は筒内直接噴射式内燃機関に関し、特に筒内に所望する成層混合気塊を形成することが可能な筒内直接噴射式内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
筒内直接噴射式内燃機関においては、混合気に着実に点火・燃焼せしめるために、機関の回転・負荷に応じて、筒内に適切な大きさ・空燃比の混合気を成層化した状態で形成することが重要である。
【０００３】
そこでピストン冠面に円形のキャビティを設けた内燃機関が特許文献１に開示されている。この従来技術ではキャビティに向けて噴射された燃料噴霧がキャビティ内で混合気塊を形成し、キャビティ内でその混合気塊を比較的長期にわたって保持することで、安定した成層燃焼を行うことができるとされている。
【特許文献１】特開２０００−３４９２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術では形成される混合気塊の大きさは、キャビティの形状・径によって決まるため、最適な成層運転を行うことができる負荷域は、キャビティの形状・径によって限定されてしまう。その結果、最適な機関負荷以外の負荷域においては安定した成層燃焼が行えず、燃費や出力の悪化を招くおそれがあった。
【０００５】
そこで本発明では、幅広い負荷域において安定した点火、燃焼が可能な成層混合気塊を形成することができる筒内直接噴射式内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明では、点火プラグと燃料噴射弁とを燃焼室の上部に具備する筒内直接噴射式内燃機関において、ピストン冠面に凹部を形成し、その凹部の底部に溝状のキャビティを設けた。そして本発明では、燃料噴射弁から一時に噴射された燃料噴霧が、凹部および溝状のキャビティの双方に衝突するように燃料を噴射することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃料噴射弁から一時に噴射された燃料噴霧が、凹部と溝状のキャビティの双方に衝突することで、凹部および溝状のキャビティのそれぞれの形状に応じた混合気塊が形成される。そのため、溝状のキャビティへの燃料噴霧の衝突によって、点火プラグ近傍には安定して混合気塊を形成でき、また、凹部への燃料噴霧の衝突によって、燃焼室の中心部には負荷に応じた大きさの混合気塊を形成することができる。そのため、幅広い負荷域において安定した点火、燃焼が可能な成層混合気塊を形成することができ、その結果、安定した成層燃焼を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の第１の実施形態を図面に基づいて説明する。図１において、シリンダヘッド１、シリンダブロック２、およびピストン３によって燃焼室４が形成されている。燃焼室４はその上部で吸気バルブ５を介して吸気ポート６と、排気バルブ７を介して排気ポート８と連通している。ここで、図中９は吸気バルブ用カムであり、１０は排気バルブ用カムである。本実施形態においては吸気ポート６は、燃焼室４内にタンブル流を生起することができるものを用いる。また、ピストン３の冠面には吸気バルブ５から排気バルブ７へ空気が流れる方向(以下吸排方向という)に沿った平面による縦断面形状が燃料噴射弁１１に対して凹となるように湾曲した凹部１５が設けられ、その凹部１５の底面部には溝状のキャビティ１６が形成されている。
【０００９】
シリンダヘッド１に設けられた燃料噴射弁１１は、燃焼室４のシリンダヘッド１の上部に位置しており、その近傍に点火プラグ１２が設けられている。燃料噴射弁１１は開弁時に燃料噴霧を燃焼室４に円錐面に沿って放射状に噴射するものであり、その円錐面の中心軸線はシリンダ中心軸線とほぼ平行である。燃料噴射弁１１は高圧燃料配管１３と接続しており、また、点火プラグ１２はハイテンションケーブル１４と接続している。そして機関コントロールユニット(ＥＣＵ)１７が運転状態信号に基づき演算を行い、燃料噴射時期、燃料噴射量、および点火時期を制御する。
【００１０】
ここで燃料噴射弁１１は、安定して凹部１５および溝状キャビティ１６に燃料噴霧を衝突させるために、指向性の強いものが好ましい。そのため例えば図２に示すホールノズル噴射弁や、図３に示すような円錐面の一部が燃料噴射方向に沿って切り欠かれた形状となるスワールノズル噴射弁などを用いている。
【００１１】
上記のように構成された内燃機関は２つの燃焼形態をとる。すなわち圧縮行程時に燃料噴射を行うことで混合気を層状化し、空燃比がリーン状態での運転を実現する成層燃焼と、吸気行程時に燃料噴射を行い、十分な混合時間をとることで空燃比がストイキ(理論空燃比)状態での運転を実現する均質燃焼である。本発明の内燃機関においては、全運転条件の中で比較的低負荷および低回転の運転領域では成層燃焼を行い、比較的高負荷および高回転の運転領域では均質燃焼を行う。
【００１２】
図４は第１の実施形態におけるピストンの模式図である。ピストン３の冠面の凹部は円錐形状であり、吸気ポートから供給されたタンブル流を円錐形状に沿って効果的に保持することができる。ここでピストンピン方向をＺ方向とし、ピストン冠面に平行でＺ軸に垂直方向をＸ方向とする。また、Ｘ−Ｚ平面に垂直な方向をＹ方向とする。そして上記Ｘ軸及びＹ軸を含む平面に平行な平面によるピストン３の縦断面をＸ−Ｙ断面と呼び、同様にＹ軸及びＺ軸を含む平面によるピストン３の縦断面をＹ−Ｚ断面と呼ぶことにする。
【００１３】
図５には第１の実施形態におけるピストンの縦断面図を示す。図５の(a)はＸ−Ｙ断面の図であり、図５の(b)はＹ−Ｚ断面の図である。図４および図５の(b)において、凹部１５のうち、ピストン縦断面で見て、比較的高い位置を側部１５a、比較的低い位置を底部１５bと呼称する。図５の(a)に示すように、凹部１５の底面部には側面１６aと底面１６bから形成されるキャビティ１６が設けられている。該キャビティ１６はピストン冠面で見て、長方形であり、吸排方向に長手方向を有するように形成される。図８は本実施形態におけるピストンの平面図である。長方形キャビティ１６はピストン冠面中心部を通り、その中心部に関して対称に配置されている。
【００１４】
図６に示すように、燃料噴射弁１１から一時に噴射された燃料噴霧は、主に側部１５aと長方形キャビティ１６の双方に衝突し、混合気塊を形成する。この際、燃料噴射弁１１から噴射された燃料噴霧が側部１５aに衝突した際に、形成される混合気塊が噴射された燃料噴霧よりも燃焼室４の中心方向に巻き上がるように、鉛直線に対する側部１５aの傾斜角αが設定されている(図７)。
【００１５】
また、図１に示すように、長方形キャビティ１６の長手方向上方の燃焼室４の上部に、燃料噴射弁１１と点火プラグ１２を並べて設けた。そして、長方形キャビティ１６の長手方向を吸排方向に一致させ、その長手方向の吸気側(ＩＮＴ)に点火プラグ１２を、排気側(ＥＸＨ)に燃料噴射弁１１をそれぞれ配した。
【００１６】
第１の実施形態による効果について説明する。
【００１７】
本実施形態ではピストン冠面に凹部１５を設け、その底部１５bに長方形キャビティ１６を形成した。そして一時に噴射された燃料噴霧によって側部１５aおよび長方形キャビティ１６の双方に衝突するように燃料噴射を行う。その結果、側部１５aおよび長方形キャビティ１６それぞれの形状に応じた混合気塊を形成することができる。
【００１８】
その際の混合気形成の様子を図９に示す。なお、図９はタンブル流を伴わない場合の混合気形成の様子である。以下の説明において「外巻き」とはピストン冠面に衝突した燃料噴霧がピストン３の周縁方向に巻き上がる状態をいい、「内巻き」とはピストン冠面に衝突した燃料噴霧が燃焼室４の中心方向に巻き上がる状態をいう。図９の(a)、(b)及び(c)はＸ−Ｙ断面の図であり、図９の(Ａ)、(Ｂ)及び(Ｃ)はＹ−Ｚ断面の図である。まず図９の(a)及び(Ａ)において燃料噴射弁１１から燃料が噴射される。長方形キャビティ１６に衝突した燃料は底面１６bに沿って、ピストン周縁側の長手方向に移動する(図９の(a))。そして圧縮行程中に長方形キャビティ１６内に発生したガス流動の影響を受け、燃料噴霧がその長手方向の側面付近から外巻きで巻き上がり混合気塊イを形成し(図９の(b))、その後、点火プラグ１２近傍に偏平な混合気塊イ‘を形成する(図９の(c))。一方、ピストン冠面の凹部１５に衝突した燃料噴霧は(図９の(Ａ))、上述の通り内巻きで巻き上がり混合気塊ロを形成し(図９の(Ｂ))、その後、比較的大きな混合気塊ロ‘を形成する(図９の(Ｃ))。
【００１９】
つまり、側部１５aおよび長方形キャビティ１６によって形成された形状の異なる２つの混合気塊イ‘及びロ‘が補完しあうことによって、全体として１つの混合気塊が形成される。２つの混合気塊イ‘及びロ‘の重複する部分は少ないため、最終的に形成された混合気塊が過濃になることはなく、かつ、点火プラグ１２近傍へ確実に混合気塊を供給することができる。そのため、安定した成層燃焼を行うことができるのである。
【００２０】
凹部１５を円錐形状にしたことにより、吸気ポート６から生起されたタンブル流を円錐形状に沿って、効果的に保持することが可能となる。タンブル流を伴う場合の混合気形成の様子を図１０に示す。図１０の(a)、(b)及び(c)はＸ−Ｙ断面の図であり、図１０の(Ａ)、(Ｂ)及び(Ｃ)はＹ−Ｚ断面の図である。図１０の(a)及び(Ａ)は燃料噴射時である。図１０の(a)においてＴはタンブル流を表している。
図１０の(b)及び(Ｂ)は燃料噴射後の様子であるが、図１０の(b)に示すように、長方形キャビティ１６に衝突した燃料噴霧はタンブル流Ｔの影響を受け、吸気ポート６側(図中の右側)からより強く巻き上がり、混合気塊イ及びハを形成する。ここで混合気塊ハはタンブル流Ｔの流れ方向と同じ方向に巻き上がるように長方形キャビティ１６に衝突した燃料噴霧による混合気塊である。この際、巻き上がりの方向は外巻きである。図１０の(c)及び(Ｃ)は混合気塊形成時であり、図１０の(c)に示すように、長方形キャビティ１６への衝突で形成された混合気塊イ‘は点火プラグ１２の近傍により確実に巻き上がることになる。なお、凹部１５に衝突した燃料噴霧は上述のタンブル流を伴わない場合と同様に混合気塊ロ‘を形成する。
【００２１】
ここで、凹部１５の形状は円錐形状に限られるものではない。吸排方向の縦断面形状が、燃焼噴射弁１１に向かって凹となっている湾曲面、例えば碗型や半筒型等であれば同様の効果を奏する。
【００２２】
また、側部１５aは燃料噴射弁１１から噴射された燃料噴霧が衝突した際に、形成される混合気塊が内巻きで巻き上がるように傾斜角αが設定されている(図７)。このことにより、燃焼室４の中心付近に形成される混合気塊が希薄なることを防ぎ、安定した成層燃焼を行うことができる。同時に、長方形キャビティ１６によって形成される混合気塊とも重複する部分が少ないため、混合気塊が過濃になることも防いでいる。
【００２３】
溝状のキャビティ１６を側面１６aと底面１６bとから形成し、その形状を長方形にしたことで、長手方向以外への燃料噴霧の移動が抑制される。そのため、ピストン周縁側の長手方向の側面付近から混合気塊を巻き上げることができ(図９の(a)及び図１０の(a))、点火プラグ１２の近傍により確実に混合気塊を供給することができる。
【００２４】
また、長方形キャビティ１６の長手方向がピストン冠面中心部を通るようにしたことで、燃焼室４の上方から噴射された燃料噴霧が、長方形キャビティ１６の長手方向に移動することをより促進することができる。そのため、長手方向の側面付近からより効果的に混合気塊を巻き上げることが可能となり、点火プラグ１２の近傍に混合気塊を確実に供給することができるのである。
【００２５】
さらに図１に示すように長方形キャビティ１６の長手方向の鉛直上方の燃焼室４の上部に、燃料噴射弁１１と点火プラグ１２を並べて設けた。このことにより、長方形キャビティ１６によって形成された混合気塊がより点火プラグ１２近傍に供給されやすくなる。
【００２６】
加えて、点火プラグ１２を吸気側に、燃料噴射弁１１を排気側に配したことにより、吸気ポート６から供給されるタンブル流Ｔによって巻き上げられた混合気塊をより効果的に点火プラグ１２近傍に供給することができる。
【００２７】
第２の実施形態について説明する。
【００２８】
図１１に本実施形態におけるピストンの縦断面図を示す。図１１の(a)はＸ−Ｙ断面の図であり、図１１の(b)はＹ−Ｚ断面の図である。
【００２９】
図１１の(b)に示すように、ピストン冠面に設けられた凹部の底部１５bを、平坦な形状に形成した。そのため、燃料噴射弁１１から噴射された燃料噴霧が底部１５bに衝突した際に、形成される混合気塊が燃焼室４のピストン周縁方向に外巻きで巻き上がることになる。
【００３０】
また本実施形態では、機関負荷が比較的高負荷の場合には、第１の実施形態と同様に主に長方形キャビティ１６と側部１５aに燃料噴霧を衝突させ、機関負荷が比較的低負荷の場合には主に長方形キャビティ１６と底部１５bに燃料噴霧を衝突させるように燃料を噴射する。
【００３１】
さらに、機関負荷が増大し、１度の燃料噴射では所望する大きさの混合気塊を形成することができない場合には、圧縮行程中に２度の燃料噴射を行う。この際の混合気塊形成の様子を図１２に示す。図１２の(a)、(b)、(c)及び(d)はＸ−Ｙ断面の図であり、図１２の(Ａ)、(Ｂ)、(Ｃ)及び(Ｄ)はＹ−Ｚ断面の図である。まず１度目の燃料噴射を圧縮行程中盤に主に長方形キャビティ１６と側部１５aに燃料噴霧を衝突させるように行う(図１２の(a)及び(Ａ))。当該燃料噴射によって形成される混合気塊イ及びロは第１の実施形態における混合気塊イ及びロと同様のものである(図１２の(b)及び(Ｂ))。次に２度目の燃料噴射を圧縮行程終盤に主に長方形キャビティ１６と底部１５bに燃料噴霧を衝突させるように行う(図１２の(c)及び(Ｃ))。上述の通り、底部１５bに衝突した燃料噴霧は外巻きで巻き上がり(図１２の(Ｃ))、混合気塊イ‘‘及びロ‘‘を形成する(図１２の(d)及び(Ｄ))。そして１度目の燃料噴射による混合気塊イ‘及びロ‘と補完しあうことでむらのない混合気塊を形成することができる(図１２の(d)及び(Ｄ))。
【００３２】
第２の実施形態による効果について説明する。
【００３３】
機関負荷が比較的小さい場合の燃料噴射は、混合気塊が拡散するのを防ぐために圧縮行程終盤に行うが、その際、燃料噴射から点火までの時間が少ないことから、燃焼室４の中心部に形成される混合気塊が逆に過濃になることが考えられる。しかし、本実施形態においては底部１５bを平坦な形状にしたことで、底部１５bに衝突した燃料噴霧は燃焼室４のピストン周縁方向に外巻きで巻き上がることになる(図１１の(b))。そのため、燃料噴射時期を遅らせた場合であっても、燃焼室４の中心部に形成される混合気塊が過濃になることを防ぐことができる。ここで、底部１５bの形状は平坦な形状に限られるものではなく、例えば図１３のように側部１５aと底部１５bの結合部１５cから、燃焼室４の上部に向かって傾斜している形状であっても同様の効果を奏する(図１３の(b))。
【００３４】
また、本実施形態では、機関負荷に応じて燃料噴射のタイミングを変更する。まず、機関負荷が比較的高負荷の場合には、第１の実施形態と同様に主に長方形キャビティ１６と側部１５aに燃料噴霧を衝突させる。この際に、側部１５aに衝突した燃料噴霧はピストン周縁方向に拡散することなく、燃焼室４の中心方向に内巻きで巻き上がる。このことにより、長方形キャビティ１６と側部１５aによって形成される混合気塊は、比較的大きく、かつ、希薄な部分のないものとなる。
【００３５】
一方、機関負荷が比較的低負荷の場合には、主に長方形キャビティ１６と底部１５bに燃料噴霧を衝突させる。この際、底部１５bに衝突した燃料噴霧は上述のようにピストン周縁方向に外巻きで巻き上がる(図１１の(b)及び図１３の(b))。このため、長方形キャビティ１６と側部１５aによって形成される混合気塊は、比較的コンパクトで、かつ、燃焼室４の中心部であっても過濃な部分のないものとすることができる。
【００３６】
つまり、機関負荷に応じて燃料噴射時期を調整することで、幅広い負荷域において、負荷に応じた大きさで、かつ、むらのない混合気塊を形成することができる。
【００３７】
機関負荷がさらに増大して、１度の燃料噴射では所望する大きさの混合気塊が形成できない場合には、圧縮行程中に２度の燃料噴射を行う。まず１度目の燃料噴射は圧縮行程中盤に主に長方形キャビティ１６と側部１５aに燃料噴霧を衝突させる(図１２の(a)及び(Ａ))。そして２度目の燃料噴射は圧縮行程終盤に主に長方形キャビティ１６と底部１５bに燃料噴霧を衝突させる(図１２の(c)及び(Ｃ))。この２度の燃料噴射によって形成されたそれぞれの混合気塊イ‘及びイ‘‘、ロ‘及びロ‘‘が補完しあうことで、全体として所望する大きさで、かつ、むらのない混合気塊を形成することができる(図１２の(d)及び(Ｄ))。
【００３８】
第３の実施形態について説明する。
【００３９】
図１４に本実施形態におけるピストンの平面図を示す。
【００４０】
図に示すように、本実施形態ではピストン冠面に、ピストン冠面で見て、長方形のキャビティを複数形成したことを特徴とする。第１の長方形キャビティ１６cは、ピストン冠面で見て、ピストン冠面中心部を通る比較的長さの長い長方形でありＸ方向に長手方向を配している。第２の長方形キャビティ１６dは、同じくピストン冠面で見て、ピストン冠面中心部を指向する比較的長さの短い長方形で、ピストン冠面中心部に関して対称にＺ方向に２つ配設されている。なおここで、Ｘ方向、Ｚ方向は図４における方向と同じである(以下の実施形態についても同様)。すなわち第１の長方形キャビティ１６cの長手方向が吸排方向に位置するように配されている。そして長方形キャビティ１６cおよび１６dは、圧縮行程中のいずれかの噴射タイミングにおいて、第１の実施形態と同様にシリンダヘッド１の上部に設けられた燃料噴射弁１１から噴射された燃料噴霧がそれぞれ衝突することができるように形成されている。なお、本実施形態におけるピストン冠面にも凹部１５が設けられており、該凹部１５は円錐形状である。
【００４１】
第３の実施形態による効果について説明する。
【００４２】
本実施形態において、長方形キャビティ１６c及び１６dに衝突した燃料噴霧は、キャビティの位置、形状に依存して、それぞれ異なった大きさの混合気塊を形成する。すなわち、長方形キャビティ１６cは上述の第１の実施形態における長方形キャビティ１６と同様に、その長手方向の側面付近から外巻きで混合気塊を巻き上げ、第１の実施形態と同様にシリンダヘッド１の上部に設けられた点火プラグ１２の近傍に混合気塊を形成する。一方、長方形キャビティ１６dは、該キャビティ１６dに衝突するタイミングで燃料が噴射された場合には上述の長方形キャビティ１６cと同様に、その長手方向の側面付近から外巻きで混合気塊を巻き上げ、点火プラグ１２の近傍に混合気塊を形成する。しかし、該キャビティ１６dに衝突しないタイミングで燃料噴射が行われた場合には、上述の第１の実施形態における凹部１５と同様に内巻きで燃料噴霧を巻き上げ、燃焼室４の中心付近に混合気塊を形成する。つまり本実施形態では、負荷に応じて燃料噴射のタイミングによりキャビティ１６dに衝突するか否かを変更することができ、機関負荷に応じたより最適な混合気塊を形成することが可能となる。
【００４３】
第４の実施形態について説明する。
【００４４】
図１５に本実施形態におけるピストンの平面図を示す。
【００４５】
本実施形態では、ピストン冠面で見て、ピストン冠面中心側に先端を有する滴形のキャビティ１６eを、ピストン冠面中心部に関して対称にＸ方向に２つ設けたことを特徴とする。すなわち、吸排方向に滴形のキャビティ１６eが並ぶように配した。なお、本実施形態のピストン冠面においても凹部１５が設けられており、該凹部１５は円錐形状である。
【００４６】
第４の実施形態による効果について説明する。
【００４７】
本実施形態では燃料噴射弁１１から噴射された燃料噴霧が滴形キャビティ１６eに衝突することで、第１の実施形態における長方形キャビティ１６に衝突する場合と同様に、キャビティ１６eの長手方向の端付近から外巻きで燃料噴霧を巻き上げ、第１の実施形態と同様にシリンダヘッド１の上部に設けられた点火プラグ１２の近傍に混合気塊を形成する。この際、滴形キャビティ１６eの側面は、先端以外は滑らかな面で形成されているため、燃料噴霧がピストン周縁方向に滑らかに移動することができる。そのため、滴形キャビティ１６eの長手方向の側面付近から、より効果的に混合気塊を巻き上げることができ、点火プラグ１２の近傍に混合気塊を確実に供給することができる。
【００４８】
第５の実施形態について説明する。
【００４９】
本実施形態におけるピストンの平面図を図１６に示す。
【００５０】
図１６では、ピストン冠面で見て、複数の長方形キャビティがピストン冠面中心部で結合し、十字型のキャビティ１６fを形成している。この際、結合したキャビティ１６fのうちＸ方向の長方形キャビティ１６fを比較的長く形成し、吸排方向に配することとする。また、Ｚ方向にはキャビティ１６fを比較的短く形成する。なお、本実施形態のピストン冠面においても凹部１５が設けられており、該凹部１５は円錐形状である。
【００５１】
第５の実施形態による効果について説明する。
【００５２】
本実施形態では、第３の実施形態における長方形キャビティ１６cおよび１６dが、ピストン冠面で見て、ピストン冠面中心部で結合している。そして、結合したキャビティのいずれかの長手方向が吸排方向に配されることを特徴としている。Ｘ方向の長方形キャビティ１６fへの燃料噴霧の衝突によって、第１の実施形態における長方形キャビティ１６に衝突する場合と同様に、キャビティ１６fの長手方向の端付近から外巻きで燃料噴霧を巻き上げ、第１の実施形態と同様にシリンダヘッド１の上部に設けられた点火プラグ１２の近傍に混合気塊を形成する。Ｚ方向のキャビティ１６fも燃料噴霧が衝突するタイミングで燃料が噴射されれば上記Ｘ方向のキャビティ１６fと同様の効果をもたらす。一方、Ｚ方向のキャビティ１６fはＸ方向のキャビティ１６fに比して長手方向に短いため、Ｚ方向のキャビティ１６fに燃料噴霧が衝突しないタイミングで燃料が噴射される場合がある。この際には、上述の第１の実施形態における凹部１５と同様に燃料噴霧が内巻きで巻き上がり、燃焼室４の中心方向に混合気塊を形成する。さらに本実施形態によれば、吸気ポート６より燃焼室４内に生起されたタンブル流が、複数の溝状キャビティの側面によって乱されること等を防ぐことができ、タンブル流を効果的に保持することができる結果、キャビティ１６fによって形成される混合気塊をより確実に燃焼室４の中心部に供給することができる。
【００５３】
なお、図１７に示すように、ピストン冠面で見て、２つの滴形キャビティがピストン冠面中心部で結合している形状(キャビティ１６g)にしてもよい。図１７では第４の実施形態における滴形キャビティ１６eが、ピストン冠面で見て、ピストン冠面中心部で結合している。ピストン冠面には凹部１５が設けられており、該凹部１５は円錐形状である。また、結合したキャビティ１６gの長手方向を吸排方向に配することにする。当該キャビティ１６gによっても上記キャビティ１６fと同様に、タンブル流を効果的に保持し、結合した滴形キャビティ１６gによって形成される混合気塊をより確実に燃焼室４の中心部に供給することができる。
【００５４】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなし得る様々な変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明における筒内直接噴射式内燃機関の構成図である。
【図２】ホールノズル噴射弁とその噴霧の概略図である。
【図３】切り欠き付きスワールノズル噴射弁とその噴霧の概略図である。
【図４】第１の実施形態におけるピストンの概略図である。
【図５】第１の実施形態におけるピストンの縦断面図である。(a)はＸ−Ｙ断面の図である。(b)はＹ−Ｚ断面の図である。
【図６】第１の実施形態におけるピストンと燃料噴霧の関係を示した概略図である。
【図７】第１の実施形態において凹部の側部に燃料噴霧が衝突した際の、混合気塊の巻き上がりの方向を示した概略図である。
【図８】第１の実施形態におけるピストンの平面図である。
【図９】第１の実施形態においてピストンに燃料噴霧が衝突した際の、混合気塊の巻き上がりを示した概略図である。(a)、(b)、(c)はそれぞれＸ−Ｙ断面の図である。(Ａ)、(Ｂ)、(Ｃ)はそれぞれＹ−Ｚ断面の図である。(a)、(Ａ)は噴射時、(b)、(Ｂ)は噴射後、(c)、(Ｃ)は混合気塊形成後の図である。
【図１０】第１の実施形態においてタンブル流を考慮した場合のピストンに燃料噴霧が衝突した際の、混合気塊の巻き上がりを示した概略図である。(a)、(b)、(c)はそれぞれＸ−Ｙ断面の図である。(Ａ)、(Ｂ)、(Ｃ)はそれぞれＹ−Ｚ断面の図である。(a)、(Ａ)は噴射時、(b)、(Ｂ)は噴射後、(c)、(Ｃ)は混合気塊形成後の図である。
【図１１】第２の実施形態におけるピストンの縦断面図である。
【図１２】第２の実施形態で２度の燃料噴射を行う場合において、ピストンに燃料噴霧が衝突した際の、混合気塊の巻き上がりを示した概略図である。(a)、(b)、(c)、(d)はそれぞれＸ−Ｙ断面の図である。(Ａ)、(Ｂ)、(Ｃ)、(Ｄ)はそれぞれＹ−Ｚ断面の図である。(a)、(Ａ)は１度目の燃料噴射時、(b)、(Ｂ)は１度目の燃料噴射後、(c)、(Ｃ)は２度目の燃料噴射時、(d)、(Ｄ)は２度目の燃料噴射後の図である。
【図１３】第２の実施形態における他のピストンの縦断面図である。
【図１４】第３の実施形態におけるピストンの平面図である。
【図１５】第４の実施形態におけるピストンの平面図である。
【図１６】第５の実施形態におけるピストンの平面図である。
【図１７】第５の実施形態における他のピストンの平面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１    シリンダヘッド
２    シリンダブロック
３    ピストン
４    燃焼室
５    吸気バルブ
６    吸気ポート
７    排気バルブ
８    排気ポート
９    吸気バルブ用カム
１０    排気バルブ用カム
１１    燃料噴射弁
１２    点火プラグ
１３    高圧燃料配管
１４    ハイテンションケーブル
１５    凹部
１６    溝状のキャビティ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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