(57)【要約】【課題】噴射された燃料噴霧が、筒内に発生したガス流動の影響を受けずに、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。【解決手段】平坦なピストン冠面上に、環状の溝１２を形成する。そして噴射された燃料噴霧が環状の溝１２に衝突する時期に燃料を噴射することで、形成される混合気塊が点火プラグ１０近傍に形成されるようにする。このことにより、環状の溝１２内に筒内のガス流動が侵入することを抑えることができ、むらのない成層混合気塊を形成することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室の上部に点火プラグと燃料噴射弁とを具備する筒内直接噴射式内燃機関において、
平坦なピストン冠面上に環状の溝を形成し、
前記燃料噴射弁から噴射された放射状の燃料噴霧が、圧縮行程時に前記環状の溝に衝突する時期に燃料を噴射し、前記点火プラグ近傍に混合気塊を形成するようにしたことを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項２】
前記環状の溝の外側壁面は、前記環状の溝の底部から前記燃焼室の中心方向に向かって傾斜するリエントラント形状である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】
前記環状の溝の内側壁面は、前記燃料噴射弁によって噴射される燃料噴霧に沿って、前記環状の溝の底部から前記燃焼室の中心方向に向かって傾斜する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】
前記環状の溝よりも外側の前記ピストン冠面は、ピストン縦断面で見て、前記環状の溝の外側壁面上端の高さ以下に形成することを特徴とする請求項１から３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】
前記環状の溝よりも外側の前記ピストン冠面は、前記環状の溝よりも内側の前記ピストン冠面に平行で、かつ、平坦な面によって形成することを特徴とする請求項１から３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】
前記環状の溝よりも外側の前記ピストン冠面は、ピストン縦断面で見て、前記環状の溝よりも内側の前記ピストン冠面の高さ以下に形成する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７】
前記環状の溝よりも外側の前記ピストン冠面は、ピストン縦断面で見て、少なくともその一部が燃焼室上方に円錐面の頂点をもつテーパ形状に形成される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】
前記環状の溝を同心円上に内外２つ設け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９】
機関負荷が比較的低負荷時には前記内側の環状の溝に燃料を噴射し、比較的高負荷時には前記外側の環状の溝に燃料を噴射することを特徴とする請求項８に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項１０】
機関負荷が特定の運転領域では、圧縮行程時に燃料噴射を２度行い、１度目の燃料噴射は前記外側の環状の溝に衝突し、２度目の燃料噴射は前記内側の環状の溝に衝突するように燃料を噴射することを特徴とする請求項８または９に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項１１】
前記内外２つの環状の溝の外側壁面は、それぞれ前記内外２つの環状の溝の底部から燃焼室の中心方向に向かって傾斜するリエントラント形状であり、前記外側の環状の溝の外側壁面が鉛直線となす傾斜の方が、前記内側の環状の溝の外側壁面が鉛直線となす傾斜よりも大きいことを特徴とする請求項８に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項１２】
前記内側の環状の溝の底面の前記ピストン冠面からの深さが、前記外側の環状の溝の底面の前記ピストン冠面からの深さよりも浅いことを特徴とする請求項８に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項１３】
前記内側の環状の溝の底面の前記ピストン冠面からの深さが、前記外側の環状の溝の底面の前記ピストン冠面からの深さよりも深いことを特徴とする請求項８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、特に筒内に混合気塊を確実に形成することを可能にする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・燃焼するために、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中心付近に内側キャビティを、その外周に外側キャビティをそれぞれ設けたピストンを用い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、機関負荷が比較的大きい場合には、圧縮行程時に２度の燃料噴射を行う。すなわち１度目の燃料噴射を外側キャビティへ、２度目の燃料噴射を内側キャビティへそれぞれ衝突させ、比較的大きな混合気塊と比較的小さな混合気塊をそれぞれ形成することで、全体としてむらのない成層混合気塊を形成するとしている。
【特許文献１】特開２００４−３６５１９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においては、筒内に発生した様々なガス流動が、噴射された燃料噴霧に影響を与える可能性がある。すなわち、キャビティ内に侵入したガス流動が、巻き上がる混合気塊の大きさ、速度、方向などに影響を与え、所望する混合気塊の形成の妨げになる恐れがあるのである。
【０００５】
そこで本発明では、燃料噴霧が筒内のガス流動の影響を受けずに、むらのない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】
上記目的を達成するために、本発明では平坦なピストン冠面上に環状の溝を形成した。そして本発明では圧縮行程時に燃料噴射弁から噴射した燃料噴霧を、その環状の溝に衝突する時期に噴射することで、衝突によって形成される混合気塊が燃焼室の上部に配した点火プラグ近傍に形成されるようにした。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、筒内で発生したガス流動の影響が環状の溝内に及ばないため、燃料噴霧に対するガス流動の影響を抑えることができる。その結果、むらのない混合気塊を形成することができ、安定した成層燃焼を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下第１の実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００９】
図１において、燃焼室４はシリンダヘッド１、シリンダブロック２、およびピストン３によって形成されており、シリンダヘッド１とシリンダブロック２との間にはガスケット１５を介装している。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、また、排気バルブ７を介して排気ポート８とそれぞれ連通している。ここで、吸気ポート６はスワール、またはタンブル流を発生させないポートである。
シリンダヘッド１に設けた燃料噴射弁９は、ピストン３とほぼ同軸線上、かつ、燃焼室４の上部中央に位置し、その近傍には点火プラグ１０が設けられている。燃料噴射弁９は開弁時に燃料噴霧を燃焼室４に円錐面に沿った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。
【００１０】
平坦なピストン冠面上には、環状の溝１２が形成されている。そして、その環状溝１２よりも内側のピストン冠面を中心面１１、外側のピストン冠面をピストン周縁部１３とそれぞれ呼称する。
【００１１】
ここで上記燃料噴射弁９は、安定して環状溝１２へ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る。
【００１２】
燃料噴射弁９と点火プラグ１０は機関コントロールユニット(ＥＣＵ)１４からの信号に基づいて燃料噴射および点火を行う。ＥＣＵ１４はエアフロメータ信号、アクセル開度信号、クランク角センサ信号、冷却水温センサ信号などの運転状態信号に基づいて演算を行い、燃料噴射量、燃料噴射時期および点火時期を制御する。
【００１３】
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。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領域は成層燃焼を行い、比較的高負荷および高回転の領域では均質燃焼を行う。
【００１４】
図４に本実施形態におけるピストンの概略図を示す。
【００１５】
本実施形態において、外壁面１２cは底部１２bから燃焼室４の中心方向に傾斜する、いわゆるリエントラント形状に形成されている。そしてその傾斜面は、鉛直線に対して角度dだけ燃焼室４の中心方向に傾斜する。
【００１６】
また、内壁面１２aは燃料噴射弁９によって噴射される燃料噴霧に沿って、底部１２bから燃焼室４の中心方向に傾斜しており、その傾斜面は鉛直線に対して角度eだけ傾斜している。ここで角度eは角度dよりも大きく設定されている。
【００１７】
ピストン周縁部１３において、面１３aはピストン縦断面で見て中心面１１と同じ高さにあり、外壁面１２cの上端fで環状溝１２とつながっている。すなわち本実施形態では内壁面１２aの上端gと外壁面１２cの上端fは同じ高さである。
【００１８】
面１３bはピストン周縁側の端hで面１３aとつながっており、ピストン縦断面で見て、ピストン周縁方向に向かって外壁面１２cの上端fより高さが低くなるように、燃焼室４の上方に円錐面の頂点を有するテーパ面である。その傾斜は鉛直線に対して角度iに設定されている。一方、面１３bのさらにピストン周縁側は面１３cで形成され、図中jにおいて面１３bとつながっている。面１３cは面１３aに平行であり、ピストン縦断面で見て、面１３aよりもmだけ低い環状の面である。
【００１９】
成層燃焼時において燃料噴射弁９による燃料噴射は、圧縮行程時に行われる。そしてその燃料噴射は、噴射された燃料噴霧が環状溝１２に衝突し、点火プラグ１０近傍に混合気塊を形成するように噴射される。
【００２０】
上記燃料噴射における燃料噴霧と混合気塊形成の模式図を図５に示す。
【００２１】
まず、燃料噴射弁９によって噴射された燃料噴霧は、筒内のガス流動の影響を受けることなく内壁面１２aに衝突する(図５の(a))。衝突した燃料噴霧は、その貫徹力によって底面１２bを経由して、外壁面１２cから燃焼室４の上方に巻き上がり(図５の(b))、点火プラグ１０近傍に所望する大きさのむらのない混合気塊を形成する(図５の(c))。
【００２２】
第１の実施形態による効果について説明する。
【００２３】
図６の(b)に示すように、従来のピストンでは噴射された燃料噴霧が筒内のガス流動の影響を受け、最終的に形成される混合気塊に影響を与えていた。すなわちピストン中心部に設けられたキャビティ内にピストン中心部、およびピストン周縁部で発生したガス流動が侵入することで、形成された混合気の巻き上がりが不良になる、もしくは、巻き上がりの方向が所望する方向にならないというおそれがあった。
【００２４】
一方、本発明では平坦なピストン冠面上に形成された環状溝１２と、その環状溝１２によって囲まれる中心面１１の形状により、筒内に発生するガス流動が環状溝１２内に侵入することを抑えることができる。すなわち平坦な中心面１１に沿ったガス流動はもはや、ピストン縦断面で見て、下向きの速度成分を有しておらず、環状溝１２に侵入することなく燃焼室内を流動する。その結果、環状溝１２に衝突した燃料噴霧を筒内のガス流動の影響を受けずに巻き上げ、所望する大きさのむらのない混合気塊を形成することが可能となるのである(図６の(a))。
【００２５】
本実施形態では外壁面１２cを、底部１２bから鉛直線に対して角度dだけ燃焼室４の中心方向に傾くリエントラント形状に形成した。このことにより、形成された混合気塊が拡散することを防ぎ、混合気塊を効果的に点火プラグ１０近傍へ運ぶことができる。この場合において、環状溝１２の外壁面１２cは鉛直線に垂直であっても混合気塊の拡散を防ぐ効果があるが、混合気塊をより安定して点火プラグ１０近傍へ供給するためにはリエントラント形状であることがより好ましい。
【００２６】
また、本実施形態では内壁面１２aを燃料噴霧に沿って、鉛直線に対して角度eだけ燃焼室４の中心方向に傾斜させた。このことにより、燃料噴霧の環状溝１２への衝突がやわらぎ、形成される混合気塊が環状溝１２の底面１２bおよび外壁面１２cに沿ってスムーズに巻き上がる。その結果、さらにむらのない混合気塊の形成が可能となる。
【００２７】
加えて面１３a、面１３bおよび面１３cによってピストン周縁部１３を形成した。このテーパ面を形成することで、気筒の圧縮比を高めることができ、内燃機関の性能向上につながる。
【００２８】
さらにピストン周縁部１３の高さを、ピストン縦断面で見て外壁面１２cの上端fの高さ以下に形成したことで、燃焼室４に発生するガス流動がピストン周縁部１３から環状溝１２に侵入することを効果的に抑えることができる。
【００２９】
さらに、ピストン縦断面で見て、環状溝１２の内壁面１２aの上端gと外壁面１２cの上端fとを同じ高さに形成した。つまりピストン周縁部１３の高さを中心面１１の高さと一致させた。このことにより、筒内に発生するガス流動が環状溝１２内に侵入することをより効果的に抑えることができる。なお、ピストン周縁部１３の高さを中心面１１の高さよりも低く形成した場合においても同様の効果を発揮する。
【００３０】
第２の実施形態について説明する。
【００３１】
図７に本実施形態におけるピストンの概略図を示す。
【００３２】
本実施形態では、ピストン周縁部１３が中心面１１と平行であることを特徴とする。また、本実施形態においてはピストン縦断面で見てピストン周縁部１３と中心面１１が同じ高さに形成されている。つまり図中のg、f、およびhは同一平面上に位置する。
【００３３】
第２の実施形態による効果について説明する。
【００３４】
本実施形態では第１の実施形態に比べてピストン冠面の表面積を小さくすることができる。つまり燃焼室の表面積と体積の比であるＳ／Ｖ比を第１の実施形態よりも小さくすることができ、冷却損失を抑えることができるのである。よって、第１の実施形態による効果に加え、内燃機関の性能向上が可能となる。
【００３５】
第３の実施形態について説明する。
【００３６】
図８に本実施形態におけるピストンの概略図を示す。
【００３７】
本実施形態では前記実施形態の環状溝を、同心円上に内外２つ設けた。すなわち内壁面１２a-i、底面１２b-i、および外壁面１２c-iからなる内側環状溝１２-iと、内壁面１２a-o、底面１２b-o、および外壁面１２c-oからなる外側環状溝１２-oである。ここで内側環状溝１２-iよりも内側のピストン冠面は中心面１１-iである。図８において、内側環状溝１２-iの外壁面１２c-iの上端fから外側環状溝１２-oの内壁面１２a-oの上端hへは、平坦な環状の面１１-oを介してつながっている。また、外側環状溝１２-oの外壁面１２c-oは、その上端iでピストン周縁部１３につながっている。
【００３８】
ピストン周縁部１３は、ピストン縦断面で見て、ピストン中心側の端iからピストン周縁側の端jに向かって高さが低くなるように、鉛直線に対して角度eだけ燃焼室４の中心方向に傾斜するテーパ面である。
【００３９】
なお本実施形態では、内側環状溝１２-iの内壁面１２a-iの上端gと外壁面１２c-iの上端fは、ピストン縦断面で見て同じ高さであり、また、外側環状溝１２-oの内壁面１２a-oの上端hと外壁面１２c-oの上端iも同じ高さである。
【００４０】
また、本実施形態では内外２つの環状溝の外壁面は、それぞれの環状溝の底部から燃焼室４の中心方向に向かって傾斜するリエントラント形状である。そして外側環状溝１２-oの外壁面１２c-oの鉛直線に対する傾斜kが、内側環状溝１２-iの外壁面１２c-iの鉛直線に対する傾斜dよりも、燃焼室４の中心方向に大きく傾斜した形状となっている。
【００４１】
さらに、内側環状溝１２-iの底面１２b-iの中心面１１-iからの深さmは、外側環状溝１２-oの底面１２b-oの中心面１１-iからの深さnに比べて浅い形状となっている。
【００４２】
本実施形態における燃料噴射は、例えば機関負荷が比較的低負荷の場合には内側環状溝１２-iに燃料噴霧が衝突し、機関負荷が比較的高負荷の場合には外側環状溝１２-oに燃料噴霧が衝突するように設定する。
【００４３】
そして、機関負荷が増大し、いずれか１つの環状溝では必要とされる大きさの混合気塊を形成することができない運転領域では、圧縮行程時に２度の燃料噴射を行う。すなわち１度目の燃料噴射は外側環状溝１２-oへ、２度目の燃料噴射は内側環状溝１２-iへそれぞれ衝突するように燃料を噴射する。
【００４４】
図９の模式図を用いて２度の燃料噴射を行う場合について説明する。
【００４５】
まず、圧縮行程中盤に１度目の燃料噴射を行い、その燃料噴射によって噴射された燃料噴霧は外側環状溝１２-oの内壁面１２a-oに衝突する(図９の(a))。その後、燃料噴霧はその貫徹力によって底面１２b-oを経由して外壁面１２c-oから燃焼室４の上方に向かい(図９の(b))、周辺空気を巻き込みつつ、むらのない混合気塊を形成する。この際に形成される混合気塊の大きさは、外側環状溝１２-oの大きさに依存して比較的大きくなる。
【００４６】
２度目の燃料噴射は圧縮行程の終盤に、内側環状溝１２-iに衝突するように行われ、この燃料噴射による燃料噴霧は内側環状溝１２-iの内壁面１２a-iに衝突する(図９の(c))。衝突した燃料噴霧はその貫徹力によって内側環状溝１２-iの底面１２b-iを経由して外壁面１２c-iから燃焼室４の上方に向かい(図９の(d))、燃焼室４の中心付近に比較的小さな混合気塊を形成する。
【００４７】
そして、１度目の燃料噴射時に形成された混合気塊と２度目の燃料噴射時に形成された混合気塊によって、燃焼室４の点火プラグ１０近傍に所望する大きさのむらのない混合気塊を形成することができる(図９の(e))。
【００４８】
第３の実施形態による効果について説明する。
【００４９】
同心円上に内外２つの環状溝を設けたことにより、第１の実施形態による効果に加え、１つのピストンによって形成されるむらのない混合気塊の大きさを調整することが可能となり、より安定した成層燃焼を行うことができる。
【００５０】
特に本実施形態では、機関負荷が比較的低負荷ならば内側環状溝１２-iに燃料噴霧を衝突させ、機関負荷が比較的高負荷ならば外側環状溝１２-oに燃料噴霧を衝突させることで、それぞれの機関負荷に必要な大きさの混合気塊を、筒内ガス流動の影響を受けずにむらのない状態で形成することができる。
【００５１】
また、機関負荷が増大し、いずれか１つの環状溝では必要な大きさの混合気塊を形成できない運転領域では、圧縮行程時に２度の燃料噴射を行う。すなわち１度目の燃料噴射による燃料噴霧を外側環状溝１２-oに衝突させ、２度目の燃料噴射の燃料噴霧を内側環状溝１２-iに衝突させる。このことにより、機関負荷が増大した場合においても、所望する大きさのむらのない混合気塊を形成することができる。
【００５２】
また、本実施形態では外側環状溝１２-oの外壁面１２c-oを内側環状溝１２-iの外壁面１２c-iよりも鉛直線に対して燃焼室４の中心方向へより大きく傾ける。その結果、外側環状溝１２-oによって形成される混合気塊をより効果的に点火プラグ１０近傍に供給することが可能となる。
【００５３】
さらに、中心面１１-iからの深さは内側環状溝１２-iの方が、外側環状溝１２-oの深さよりも浅いため、内側環状溝１２-iによって形成される混合気塊は比較的小さなものとなる。そのためアイドルなどの極低負荷時においても、より安定した成層燃焼を行うことができる。
【００５４】
第４の実施形態について説明する。
【００５５】
図１０に本実施形態におけるピストンの概略図を示す。
【００５６】
本実施形態では前記実施形態と同様に平坦なピストン冠面上に、同心円上の環状溝を内外２つ設けたことを特徴とする。特に内側環状溝１２-iの底面１２b-iの中心面１１-iからの深さnが、外側環状溝１２-oの底面１２b-oの中心面１１-iからの深さmに比べて深くなっていることを特徴とする。
【００５７】
第４の実施形態による効果について説明する。
【００５８】
本実施形態によれば、内側環状溝１２-iによって比較的大きな混合気塊を形成することができる。このため、低負荷時から中負荷時にかけてより安定した成層燃焼を行うことができる。
【００５９】
なお、ピストン冠面上に同心円上の環状溝を内外２つ設けた場合において、内側環状溝１２-iの内径が小さくなると、図１１のように中心面１１-iがなくなり、点状となることが考えられる。この場合においても内側環状溝１２-iと外側環状溝１２-oの間に位置する環状面１１-oによって筒内ガス流動の環状溝への侵入を抑えることができるため、本発明の意図するところである。
【００６０】
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】
【００６１】
【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】本発明における燃料噴霧と混合気塊形成の概略図である。
【図６】筒内のガス流動と燃料噴霧の関係を示した概略図である。
【図７】第２の実施形態におけるピストンの概略図である。
【図８】第３の実施形態におけるピストンの概略図である。
【図９】第３の実施形態において２度の燃料噴射を行う際の燃料噴霧と混合気塊の形成の概略図である。
【図１０】第４の実施形態におけるピストンの概略図である。
【図１１】第４の実施形態におけるピストンの概略図である。
【符号の説明】
【００６２】
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    燃料噴射弁
１０    点火プラグ
１１    中心面
１２    環状溝
１３    ピストン周縁部
１４    機関コントロールユニット(ＥＣＵ)
１５    ガスケット
【図１】
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【図２】
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【図３】
2006112240.tif 000005
【図４】
2006112240.tif 000006
【図７】
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【図８】
2006112240.tif 000008
【図９】
2006112240.tif 000009
【図１０】
2006112240.tif 000010
【図１１】
2006112240.tif 000011
【図５】
2006112240.tif 000012
【図６】
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