(57)【要約】【課題】燃料噴射装置からの燃料噴霧がキャビティからこぼれることを抑制可能なピストン及び内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関１０は、燃焼室４０の燃料を直接噴射可能な燃料噴射弁５０と、火花放電部５５ａが燃焼室４０突出している点火プラグ５５と、燃料噴射弁５０からの燃料を受けて点火プラグ５５に導くキャビティ壁３３が頂部に形成されているピストン３０とを有している。キャビティ壁３３のうち燃料噴射弁５０側の縁３３ｅから点火プラグ５５側には、燃焼室４０側に凸となって湾曲している凸状湾曲面３４が設けられている。凸状湾曲面３４は、燃料噴射弁５０から凸状湾曲面３４上に流れてくる燃料噴霧の流れを、コアンダ効果を利用して、矢印Ｊで示すように、キャビティ壁３３の底面３６側に偏向させる。【選択図】図６
2008202452.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室の天井壁周縁部に設けられ、燃焼室に燃料を直接噴射可能な燃料噴射弁と、
燃焼室の天井壁中央部に設けられ、火花放電部が燃焼室に突出している点火プラグと、
燃料噴射弁からの燃料を受けて点火プラグに導くことが可能なキャビティ壁が頂部に形成されているピストンと、
を有する内燃機関であって、
キャビティ壁のうち燃料噴射弁側の縁から点火プラグ側には、燃焼室側に凸となって湾曲して、燃料噴射弁からの燃料噴霧の流れをキャビティ壁側に偏向させる凸状湾曲面が設けられていることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関において、
キャビティ壁は、
ピストンの略中央に設けられているキャビティ底面と、
キャビティ底面から気筒軸方向に沿って点火プラグの火花放電部側に延びているキャビティ側面と、
燃焼室側に凹となって湾曲しており、凸状湾曲面とキャビティ底面とを滑らかに接続する接続面と、
を有することを特徴とする内燃機関。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の内燃機関において、
燃料噴射弁は、噴孔からキャビティに向かうに従ってクランク軸方向に拡がる扇形状の燃料噴霧を形成可能なものであり、
凸状湾曲面は、燃料噴射弁側の縁の長さが、当該縁の上を流れる燃料噴霧のクランク軸方向の幅に比べて大きく設定されており、且つ、
凸状湾曲面のクランク軸方向の両側に設けられたキャビティ壁の縁がなす角度は、燃料噴霧の扇形状の中心角に比べて大きく設定されている、
ことを特徴とする内燃機関。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関において、
燃料噴射弁の燃料噴射時期は、圧縮行程中に設定されており、
点火プラグの点火時期は、圧縮上死点後に設定されていることを特徴とする内燃機関。
【請求項５】
燃焼室に燃料を直接噴射可能な燃料噴射弁を有する内燃機関に用いられ、頂部にキャビティ壁が形成されているピストンであって、
キャビティ壁のうち燃料噴射弁側の縁から点火プラグ側には、燃焼室側に凸となって湾曲して、燃料噴射弁からの燃料噴霧の流れをキャビティ壁側に偏向させる凸状湾曲面が設けられていることを特徴とするピストン。
【請求項６】
請求項５に記載のピストンであって、
キャビティ壁は、
ピストンの略中央に設けられているキャビティ底面と、
キャビティ底面から気筒軸方向に沿って点火プラグの火花放電部側に延びているキャビティ側面と、
燃焼室側に凹となって湾曲しており、凸状湾曲面とキャビティ底面とを滑らかに接続する接続面と、
を有することを特徴とするピストン。
【請求項７】
請求項５又は６に記載のピストンであって、
燃料噴射弁は、噴孔からキャビティに向かうに従ってクランク軸方向に拡がる扇形状の燃料噴霧を形成可能なものであり、
凸状湾曲面は、燃料噴射弁側の縁の長さが、当該縁の上を流れる燃料噴霧のクランク軸方向の幅に比べて大きく設定されており、且つ、
凸状湾曲面のクランク軸方向の両側に設けられたキャビティ壁の縁がなす角度は、燃料噴霧の扇形状の中心角に比べて大きく設定されていることを特徴とするピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成層燃焼が可能な筒内噴射式の火花点火内燃機関に関し、詳細には、内燃機関が有するピストンの形状に関する。
【背景技術】
【０００２】
筒内噴射式の火花点火内燃機関にあっては、燃費や出力の向上を図るために、点火プラグの火花放電部の近傍に層状の混合気を形成し、これを燃焼させる、いわゆる成層燃焼を行うものがある。このような成層燃焼が可能な内燃機関には、ピストンの頂面にキャビティ壁が形成されており、キャビティ壁が燃料噴射弁からの燃料噴霧を点火プラグの火花放電部に導く、いわゆるウォールガイド方式により火花放電部の近傍に成層混合気を形成するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
下記の特許文献１に記載の内燃機関では、点火プラグが燃焼室の天井壁（気筒上部壁）の中央部に配置され、燃料噴射弁が燃焼室の天井壁の周縁部（側部）に配置され、さらにピストンの頂部に、キャビティが設けられた内燃機関が開示されている。この内燃機関は、ピストンに形成されたキャビティの壁面（以下、キャビティ壁と記す）が、燃料噴射弁の噴孔からの燃料を受けて、点火プラグの火花放電部に導くことで、火花放電部の近傍に成層混合気を形成している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−４８６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、始動時などの内燃機関の暖機中においては、排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）を低減するため、点火時期を遅角させて排気温度を上昇させることで、触媒をなるべく早期に活性化させることが知られている。特許文献１のような成層燃焼が可能な内燃機関において、成層燃焼を行いつつ点火時期の大幅な遅角を実現するためには、極力遅いタイミングで点火プラグの火花放電部近傍に成層混合気を形成可能とする必要があり、圧縮行程中の極力遅いタイミングで、燃料噴射弁がキャビティに燃料を噴射可能とする必要がある。
【０００６】
しかし、特許文献１の内燃機関では、圧縮行程中の遅いタイミング（例えば、圧縮上死点前２０°〜４０°）で燃料噴射を行うと、燃料噴射弁からの燃料噴霧が、点火プラグの火花放電部に対向しているキャビティの縁にある側壁に直線的に衝突してしまい、燃料噴霧がキャビティより外側にこぼれてしまうことがある。キャビティから外側に燃料噴霧がこぼれると、その分、点火プラグの火花放電部近傍に形成される成層混合気が希薄化してしまい、成層混合気を良好に着火することができなくなる虞がある。
【０００７】
特に、吸入空気と燃料の混合を良好なものとするため、燃料噴射弁の燃料噴射方向と気筒の径方向がなす角度（以下、Ｖ角と記す）が小さく（例えば、３０°以下に）設定されている内燃機関においては、燃焼室の天井壁周縁部にある燃料噴射弁が圧縮上死点後のタイミングで燃料噴射を行うと、噴射された燃料噴霧が、キャビティの側壁に直線的に衝突し易く、噴射された燃料噴霧がキャビティからこぼれ易くなるという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、燃料噴射弁からの燃料噴霧がキャビティからこぼれることを抑制可能なピストン及び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】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明に係る内燃機関は、燃焼室の天井壁周縁部に設けられ、燃焼室に燃料を直接噴射可能な燃料噴射弁と、燃焼室の天井壁中央部に設けられ、火花放電部が燃焼室に突出している点火プラグと、燃料噴射弁からの燃料を受けて点火プラグに導くことが可能なキャビティ壁が頂部に形成されているピストンと、を有する内燃機関であって、キャビティ壁のうち燃料噴射弁側の縁から点火プラグ側には、燃焼室側に凸となって湾曲して、燃料噴射弁からの燃料噴霧の流れをキャビティ壁側に偏向させる凸状湾曲面が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る内燃機関において、キャビティ壁は、ピストンの略中央に設けられているキャビティ底面と、キャビティ底面から気筒軸方向に沿って点火プラグの火花放電部側に延びているキャビティ側面と、燃焼室側に凹となって湾曲しており、凸状湾曲面とキャビティ底面とを滑らかに接続する接続面と、を有するものとすることができる。
【００１１】
本発明に係る内燃機関において、燃料噴射弁は、噴孔からキャビティに向かうに従ってクランク軸方向に拡がる扇形状の燃料噴霧を形成可能なものとすることができ、凸状湾曲面は、燃料噴射弁側の縁の長さが、当該縁の上を流れる燃料噴霧のクランク軸方向の幅に比べて大きく設定されているものとすることができ、且つ、凸状湾曲面のクランク軸方向の両側に設けられたキャビティ壁の縁がなす角度は、燃料噴霧の扇形状の中心角に比べて大きく設定されているものとすることができる。
【００１２】
本発明に係る内燃機関において、燃料噴射弁の燃料噴射時期は、圧縮行程中に設定されており、点火プラグの点火時期は、圧縮上死点後に設定されているものとすることができる。
【００１３】
本発明に係るピストンは、燃焼室に燃料を直接噴射可能な燃料噴射弁を有する内燃機関に用いられ、頂部にキャビティ壁が形成されているピストンであって、キャビティ壁のうち燃料噴射弁側の縁から点火プラグ側には、燃焼室側に凸となって湾曲して、燃料噴射弁からの燃料噴霧の流れをキャビティ壁側に偏向させる凸状湾曲面が設けられていることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係るピストンにおいて、キャビティ壁は、ピストンの略中央に設けられているキャビティ底面と、キャビティ底面から気筒軸方向に沿って点火プラグの火花放電部側に延びているキャビティ側面と、燃焼室側に凹となって湾曲しており、凸状湾曲面とキャビティ底面とを滑らかに接続する接続面とを有するものとすることができる。
【００１５】
本発明に係るピストンにおいて、燃料噴射弁は、噴孔からキャビティに向かうに従ってクランク軸方向に拡がる扇形状の燃料噴霧を形成可能なものとすることができ、凸状湾曲面は、燃料噴射弁側の縁の長さが、当該縁の上を流れる燃料噴霧のクランク軸方向の幅に比べて大きく設定されてているものとすることができ、且つ、凸状湾曲面のクランク軸方向の両側に設けられたキャビティ壁の縁がなす角度は、燃料噴霧の扇形状の中心角に比べて大きく設定されているものとすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、キャビティ壁のうち燃料噴射弁側の縁から点火プラグ側には、燃焼室側に凸となって湾曲して、燃料噴射弁からの燃料噴霧の流れをキャビティ壁側に偏向させる凸状湾曲面が設けるものとした。燃料噴射弁の噴孔から噴射されて近接してくる燃料噴霧の流れを、コアンダ効果によりキャビティ壁に偏向させる。これにより、内燃機関は、燃料噴霧の流れをより確実にキャビティ壁に沿わせることができる。燃料噴射弁からの燃料噴霧は、キャビティ壁に沿って流動するため、燃料噴霧がキャビティからこぼれてしまうことを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００１８】
まず、本実施例に係る内燃機関の概略構成について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、内燃機関の気筒周辺の構成を示す断面図である。図２は、燃料噴射弁と点火プラグの配置を示す図であり、ピストン側からシリンダヘッドを見た図である。なお、図１及び図２には、本発明に関連する要部のみを模式的に示している。
【００１９】
本実施例に係る内燃機関は、燃料噴射弁が気筒内に直接燃料（ガソリン）を噴射する、筒内噴射式のガソリン機関であり、気筒内に形成される混合気に点火プラグにより点火を行う火花点火機関である。なお、本実施例において、内燃機関には、燃料噴射弁及び点火プラグを制御する手段として図示しない電子制御装置（以下、ＥＣＵと記す）が設けられている。以下、内燃機関が有する複数の気筒のうち一つの気筒について説明する。
【００２０】
図１に示すように、内燃機関１０には、内部に気筒が形成される機関本体系の部品として、シリンダブロック１２と、シリンダヘッド２０と、ピストン３０と、図示しないコンロッド及びクランク軸が設けられている。シリンダブロック１２には、シリンダボア１４が形成されており、ピストン３０は、シリンダボア１４内を、その軸心（以下、ボア軸心と記し、一点鎖線Ｃで示す）に沿って往復運動する。
【００２１】
ピストン３０の往復運動は、回転運動に変換されて図示しないクランク軸から出力される。内燃機関１０には、クランク軸の回転角位置（以下、クランク角と記す）を検出するクランク角センサ（図示せず）が設けられており、クランク角に係る信号を、ＥＣＵに送出している。
【００２２】
シリンダブロック１２には、ピストン３０に対向してシリンダボア１４を塞ぐようにシリンダヘッド２０が結合されている。シリンダブロック１２とシリンダヘッド２０との合わせ面となる平面は、ボア軸心Ｃに直交しており、以下、この仮想平面を「トップデッキ平面」と記して、図に二点鎖線Ｔで示す。
【００２３】
また、シリンダヘッド２０には、ペントルーフ型の燃焼室４０が形成されており、ボア軸心Ｃを挟んで、一方の側には、吸入空気を燃焼室４０に導く吸気ポート２４が形成されており、他方の側には、燃焼室４０からの排気ガスを排出する排気ポート２６が形成されている。
【００２４】
また、シリンダヘッド２０には、吸気ポート２４及び排気ポート２６に対応して、それぞれ吸気弁２５と排気弁２７が設けられている。これら吸気弁２５と排気弁２７は、カムシャフトを介して、クランク軸からの機械的動力を受けて駆動される。吸気弁２５及び排気弁２７は、クランク軸の回転角位置（以下、クランク角と記す）に応じて所定のタイミングで開閉可能に構成されている。
【００２５】
吸気弁２５を開くと、吸気ポート２４と燃焼室４０が連通し、図示しない吸気通路からの空気を、吸気ポート２４から気筒内の燃焼室４０に吸入することが可能となる。また、排気弁２７を開くと、排気ポート２６と燃焼室４０が連通し、気筒内の燃焼室４０にある排気ガスを、排気ポート２６から図示しない排気通路に排出することが可能となる。
【００２６】
これら吸気ポート２４と排気ポート２６は、図２に示すように、それぞれ２つ設けられており、ボア軸心Ｃを含み、且つクランク軸の軸方向（以下、単に「クランク軸方向」と記し、図に矢印Ｓで示す）に延びる仮想の平面である気筒列平面（図中、一点鎖線Ｅで示す）を挟んで、互いに対向するよう配置されている。つまり、各気筒において、吸気ポート２４と排気ポート２６は、いわゆるクロスフロー式の配置となっている。
【００２７】
なお、以下の説明において、ボア軸心Ｃを含む気筒列平面Ｅに対して吸気ポート２４が設けられる側を、吸気側と記し、図に符号ＩＮで示す。一方、平面Ｅに対して排気ポート２６が設けられる側を、排気側と記し、図に符号ＥＸで示す。
【００２８】
シリンダヘッド２０の燃焼室４０の形状を規定する壁面である天井壁２２は、燃焼室４０の中央すなわちボア軸心Ｃから、吸気側及び排気側に離れるに従って、トップデッキ平面Ｔとの距離が小さくなるよう形成されている。燃焼室４０の天井壁２２は、その周縁においてシリンダボア１４の壁面であるシリンダ壁１５に滑らかに連続するよう形成されている。
【００２９】
なお、天井壁中央部２２ａとは、図２に示すように、燃焼室４０の天井壁２２のうちボア軸心Ｃが通る部位に加えて、吸気ポート２４の外縁２４ｅと排気ポート２６の外縁２６ｅとの間に挟まれた部位を含んでいる。一方、天井壁周縁部２２ｃとは、天井壁２２の周縁２２ｅに加え、天井壁２２の周縁２２ｅと、吸気ポート２４の外縁２４ｅ又は排気ポート２６の外縁２６ｅとの間に挟まれた部位を含んでいる。
【００３０】
また、図１に示すように、ピストン３０には、その頂部３１において、ボア軸心Ｃに沿う方向（気筒軸方向）をクランク軸側（下方Ｄ）に凹む空間であるキャビティ４４が形成されている。すなわち、ピストン３０の頂部３１には、キャビティ４４の形状を規定する湾曲した壁面であるキャビティ壁３３が形成されている。キャビティ壁３３の詳細な形状については、後述する。
【００３１】
ピストン３０のキャビティ壁３３と頂面３２、シリンダブロック１２のシリンダ壁１５、及びシリンダヘッド２０の天井壁２２で囲まれた空間が、いわゆる「気筒」となる。気筒には、シリンダヘッド２０に形成された燃焼室４０と、ピストン３０に形成されたキャビティ４４が含まれている。
【００３２】
なお、以下の説明において、ボア軸心Ｃに沿う方向を、「気筒軸方向」と記す。また、気筒軸方向のうち、ピストン３０が天井壁２２に向かう方向を「上方」記して図に矢印Ｕで示す。また、気筒軸方向のうち上方とは反対の向きを「下方」と記して図に矢印Ｄで示す。
【００３３】
また、気筒軸方向に直交し、且つクランク軸方向Ｓに直交する方向を、以下の説明において、「気筒径方向」と記して、図に矢印Ｒで示す。なお、気筒径方向Ｒは、前述のトップデッキ平面Ｔに沿う方向であり、且つ気筒列平面Ｅに直交する方向となっている。また、気筒径方向Ｒに沿って延びる平面であり、トップデッキ平面Ｔと気筒列平面Ｅに直交する平面を、気筒断面と記して、図に一点鎖線Ｆで示す。なお、気筒断面Ｆは、後述する燃料噴射弁５０の噴孔５０ａと点火プラグ５５の火花放電部５５ａとを通って、気筒軸方向に延びる平面となっている。
【００３４】
また、シリンダヘッド２０には、図１に示すように、気筒内に形成される成層混合気６６（燃料噴霧を含む）に点火する点火装置として、点火プラグ５５が設けられている。点火プラグ５５は、点火火花を発生させる火花放電部（電極）５５ａを有しており、火花放電部５５ａが燃焼室４０に突き出すように配設されている。
【００３５】
点火プラグ５５は、シリンダヘッド２０において燃焼室４０の天井壁中央部２２ａに設けられている。詳細には、点火プラグ５５は、天井壁中央部２２ａのうち気筒列平面Ｅより排気側に配設されている。また、点火プラグ５５は、図２に示すように、火花放電部５５ａが天井壁中央部２２ａのうち気筒断面Ｆ上に位置するよう配設されている。
【００３６】
点火プラグ５５は、図示しない点火コイルから２次電流の供給を受けて火花放電部５５ａに点火火花を生じさせる。この点火火花により気筒内の燃焼室４０に形成される成層混合気６６（燃料噴霧の塊を含む）は、着火して燃焼を開始する。点火プラグ５５が点火火花を生じさせる点火時期は、ＥＣＵにより制御される。
【００３７】
また、シリンダヘッド２０には、図１に示すように、気筒内すなわち燃焼室４０に直接燃料を噴射する燃料噴射装置として、１つの燃料噴射弁５０が設けられている。燃料噴射弁５０は、略円柱状を呈する電磁駆動式の噴射弁であり、その燃焼室４０側の先端にはスリット状の噴孔５０ａが設けられている。燃料噴射弁５０は、噴孔５０ａが燃焼室４０に露出するよう配設されている。
【００３８】
燃料噴射弁５０は、シリンダヘッド２０において燃焼室４０の天井壁周縁部２２ｃのうち吸気側の部位に設けられている。燃料噴射弁５０は、図２に示すように、噴孔５０ａが天井壁２２の周縁２２ｅと２つの吸気ポート２４の外縁２４ｅに挟まれた部位に配置されており、気筒断面Ｆ上に位置している。つまり、燃料噴射弁５０の噴孔５０ａは、２つの吸気弁ポート２４の間の部位を挟んで、気筒径方向に、点火プラグ５５の火花放電部５５ａと対向している。
【００３９】
燃料噴射弁５０は、図示しない燃料レールから所定の燃圧（例えば、１０ＭＰａ）で燃料の供給を受けている。燃料噴射弁５０が開弁して燃料を噴射する開弁期間、すなわち開弁時期及び開弁時間長さは、ＥＣＵにより制御される。
【００４０】
燃料噴射弁５０は、噴孔５０ａが排気側を向くように配設されている。燃料噴射弁５０が噴孔５０ａから燃料を噴射する方向である燃料噴射方向（図中、一点鎖線Ｊで示す）は、気筒断面Ｆ（図２参照）に沿う方向であり、且つ、トップデッキ平面Ｔすなわち気筒径方向Ｒに対して下方Ｄすなわちクランク軸側に傾斜を付けて配置されている。この燃料噴射弁５０の燃料噴射方向と気筒径方向Ｒのなす角度を、以下の説明において、「Ｖ角」と記す。本実施例に係る内燃機関１０おいて、Ｖ角は、３０°以下の小さな角度に設定されている。
【００４１】
燃料噴射弁５０は、上述の燃料噴射方向を中心として、噴孔５０ａから気筒径方向Ｒを排気側すなわちキャビティ４４に向かうに従ってクランク軸方向Ｓに拡がる扇状の燃料噴霧を形成する。燃料噴射弁５０からキャビティ４４に向けて噴射された扇状の燃料噴霧は、キャビティ壁３３に沿って排気側に流動し、周囲の空気と混合されて点火プラグ５５の火花放電部５５ａの近傍に成層混合気６６を形成することとなる。
【００４２】
次に、本実施例に係るピストンのキャビティ壁の形状の詳細について、図１〜図５を用いて説明する。図３は、ピストンの縦断面図であり、キャビティ壁の形状を説明する図である。図４は、ピストンの上面図であり、キャビティ壁の詳細を説明する図である。なお、図３は、図４のＡ−Ａ線による断面図となっている。
【００４３】
ピストン３０の頂部３１には、キャビティ４４の形状を規定する壁面であるキャビティ壁３３が形成されている。キャビティ壁３３は、図４に示すように、ピストン３０の略中央に設けられ、円弧状を呈する排気側（点火プラグ側）の縁３３ｈと、排気側の縁３３ｈに対して気筒径方向Ｒに対向する吸気側（燃料噴射弁側）の縁３３ｅと、吸気側の縁３３ｅと排気側の縁３３ｈとを接続する２つの縁３３ｆ，３３ｇにより囲まれた壁面である。
【００４４】
キャビティ壁３３の吸気側の縁３３ｅは、図３に示すように、ピストン３０の頂部３１のうち、気筒軸方向を最も上方Ｕに突出している部位であり、図１に示すように、内燃機関１０に組み込まれた状態において最も燃焼室４０側に突出している部位である。吸気側の縁３３ｅは、排気側の縁３３ｈや、側方の縁３３ｆ，３３ｇとは異なり、なだらかに湾曲する２つの面３４，３５の頂上となっている。
【００４５】
吸気側の縁３３ｅは、図４に示すように、クランク軸方向Ｓに沿って直線状に延びている。吸気側の縁３３ｅの両端からは、それぞれ側方の縁３３ｆと縁３３ｇが気筒径方向Ｒを排気側に向かうに従って、気筒断面Ｆからクランク軸方向Ｓに離間するように延びている。側方の縁３３ｆの端と縁３３ｇの排気側の端は、円弧状を呈している排気側の縁３３ｈの両端に接続されている。
【００４６】
キャビティ壁３３のうち、吸気側の縁３３ｅから排気側すなわち点火プラグ５５側には、図１及び図３に示すように、燃料噴射弁５０の噴孔５０ａと点火プラグ５５の火花放電部５５ａを通る気筒断面Ｆにおいて、燃焼室４０側に凸となって湾曲している凸状湾曲面３４が形成されている。凸状湾曲面３４は、ピストン３０の頂部３１のうち、燃料噴射弁５０の噴孔５０ａから噴射された燃料噴霧の外縁６０ｅが最も近接する部位である。
【００４７】
燃料噴射弁５０は、その燃料噴霧の外縁６０ｅが、凸状湾曲面３４に対して僅かに隙間を空けて接するように、燃料噴射時期が設定されている。燃料噴射弁５０が燃料を噴射すると、燃料噴霧は、ピストン３０のうち凸状湾曲面３４に最も近接し、凸状湾曲面３４との間にコアンダ効果が作用することとなり、燃料噴霧の流れがキャビティ壁３３の底面３７側に偏向することとなる。すなわち、凸状湾曲面３４は、その形状により、湾曲面３４上を流れる燃料噴霧の流れを、コアンダ効果を利用して、下方Ｄすなわちキャビティ壁３３側に偏向させることが可能となっている。
【００４８】
また、凸状湾曲面３４は、図４に示すように、キャビティ壁３３の吸気側の縁３３ｅから、ボア径方向Ｒを、排気側に即ち燃料噴射弁５０の噴孔５０ａから点火プラグ５５の火花放電部５５ａに向かうに従って、クランク軸方向Ｓに幅が拡がるように設けられている。凸状湾曲面３４のクランク軸方向Ｓの両側にあるキャビティ壁３３の縁が、上述の縁３３ｆ、３３ｇとなっている。
【００４９】
一方、吸気側の縁３３ｅの吸気側には、図３に示すように、凸状湾曲面３４と同様に、気筒断面Ｆにおいて、燃焼室４０側に凸となって湾曲している吸気側頂面３２ｉが形成されている。この吸気側頂面３２ｉは、排気側にある頂面３２と滑らかに連続している。また、吸気側頂面３２ｉは、吸気側の縁３３ｅで、上述の凸状湾曲面３４と滑らかに連続している。上述のキャビティ壁３３の吸気側の縁３３ｅは、燃焼室４０側に凸となる湾曲する２つの連続した面（３２ｉ，３４）の頂上となっている。
【００５０】
凸状湾曲面３４の排気側には、凸状湾曲面３４とは逆に燃焼室４０側が凹となって湾曲している接続面３５が設けられている。接続面３５は、燃焼室４０側に凸となって湾曲している凸状湾曲面３４と、気筒軸方向（ボア軸心Ｃに沿う方向）に対して直交して延びているキャビティ底面３６とを滑らかに接続している。
【００５１】
キャビティ底面３６は、図４に示すように、ピストン３０の略中央に設けられ、気筒軸方向に直交するよう交差して延びる平面であり、キャビティ壁３３のうち最も下方Ｄ（クランク軸側）に凹んでいる部分である。キャビティ底面３６は、図１及び図４に示すように、凸状湾曲面３４から接続面３５を経て流れてきた燃料噴霧を、点火プラグ５５の火花放電部５５ａに対向する部分に集めて、キャビティ壁３３の排気側の縁部であるキャビティ側面３７に送ることとなる。
【００５２】
キャビティ側面３７は、図１及び図３に示すように、点火プラグ５５の火花放電部５５ａに、気筒軸方向に対向して設けられている。さらに、キャビティ側面３７は、キャビティ底面３６から燃焼室４０側に凹となって湾曲しており、さらに、気筒軸方向を上方Ｕすなわち点火プラグ５５の火花放電部５５ａに向けて延びている。これにより、キャビティ側面３７は、図１に示すように、キャビティ底面３６が集めた燃料噴霧を、点火プラグ５５の火花放電部５５ａに向けて流すことが可能となっている。キャビティ側面３７の火花放電部５５ａ側の縁が、上述のキャビティ壁３３の排気側の縁３３ｈとなっている。
【００５３】
次に、本実施例に係るピストンのキャビティ壁の形状と燃料噴霧の位置関係について、図５を用いて説明する。図５は、ピストンの上面図であり、キャビティ壁と燃料噴霧との関係を示す図である。
【００５４】
吸気側の縁３３ｅと、その両端から延びる側方の縁３３ｆ，３３ｇは、気筒断面Ｆを軸とする線対称形状となっている。一方、燃料噴射弁５０の噴孔５０ａから噴射された燃料は、図５に示すように、扇形状の燃料噴霧を形成している（燃料噴霧の外縁６０ｅを二点鎖線で示す）。燃料噴霧の扇形状は、吸気側の縁３３ｅと同様に、気筒断面Ｆを軸とする線対称形状となっている。吸気側の縁３３ｅは、その長さすなわちクランク軸方向Ｓの幅（図５に寸法Ｍで示す）が、吸気側の縁３３ｅの上を通過する燃料噴霧のクランク軸方向Ｓの幅（図５に寸法Ｎで示す）に比べて、大きくなるように設定されている。
【００５５】
また、凸状湾曲面３４のクランク軸方向Ｓの両側に設けられたキャビティ壁３３の２つの縁３３ｆと３３ｇがなす角度（図５に角度Ｐで示す）は、噴孔５０ａを中心とする燃料噴霧の扇形状の中心角（図５に角度Ｑで示す）に比べて大きく設定されている。このように、キャビティ壁３３の縁３３ｅ，３３ｆ，３３ｇを設けると共に、これら縁３３ｅ，３３ｆ，３３ｇに囲まれるよう、燃焼室４０側に凸となって湾曲する凸状湾曲面３４を設定することで、燃料噴射弁５０から噴射されるすべての燃料噴霧を、凸状湾曲面３４において確実に偏向させることが可能となっている。
【００５６】
以上のようにキャビティ壁３３は、図１〜図５に示すように、キャビティ４４に流入した燃料噴霧を点火プラグ５５の火花放電部５５ａに対向する部位に集めるキャビティ底面３６と、キャビティ底面３６が集めた燃料噴霧を火花放電部５５ａに向けて上方Ｕに流すキャビティ側面３７と、燃料噴射弁５０の噴孔５０ａから扇状に拡がる燃料噴霧をキャビティ底面３６に向けてガイドするガイド面として、凸状湾曲面３４と接続面３５が設けられている。
【００５７】
凸状湾曲面３４と接続面３５は、吸気側すなわち燃料噴射弁５０の噴孔５０ａを有する側の縁３３ｅから気筒径方向Ｒをボア軸心Ｃに向かうに従って気筒軸方向を下方Ｄ（クランク軸側）に傾斜するようキャビティ底面３６に接続することで、噴孔５０ａから扇状に拡がる燃料噴霧を、形状を崩さずにキャビティ底面３６に導くことができる。凸状湾曲面３４は、燃料噴射弁５０からの燃料噴霧の流動方向を下方Ｄすなわちキャビティ底面３６側に偏向させ、接続面３５は、凸状湾曲面３４により流動方向が下方Ｄに偏向した燃料噴霧の流れを、キャビティ底面３６に沿って流れるようガイドする。
【００５８】
次に、本実施例に係る内燃機関における燃料噴霧の流れについて、図６を用いて説明する。図６は、燃料噴霧の流れを説明する内燃機関の気筒周辺の断面図である。なお、図６において、説明を簡易なものとするため、ピストンについては外形のみを示している。
【００５９】
始動時など内燃機関１０の暖機中において、ＥＣＵは、排気温度を上昇させるために、点火時期を圧縮上死点後に設定すると共に、燃料噴射弁５０の燃料噴射時期を、圧縮上死点前の点火時期、例えば圧縮上死点前２０°〜４０°に設定している。
【００６０】
そして、内燃機関１０の圧縮行程中において、ピストン３０が上方Ｕに移動して、気筒内に吸入された空気を圧縮する。ＥＣＵは、圧縮行程中に燃料噴射弁５０を開弁させることで、燃料噴射弁５０の噴孔５０ａからは燃料が噴射されて扇形状の燃料噴霧が形成される。
【００６１】
扇形状の燃料噴霧は、その外縁６０ｅが吸気側の縁３３ｅから凸状湾曲面３４に近接している、すなわち僅かな隙間を以って接している。凸状湾曲面３４と、この上を流れる燃料噴霧の流れとの間にコアンダ効果が作用することで、燃料噴霧の流動方向は、矢印Ｊで示すように凸状湾曲面３４に沿って下方Ｄすなわちキャビティ壁３３側に曲げられる。このようにして、凸状湾曲面３４は、その面上を流れる燃料噴霧の流れをキャビティ壁３３側に偏向させている。
【００６２】
そして、凸状湾曲面３４により流動方向が下方Ｄに偏向した燃料噴霧の流れは、接続面３５に流入する。接続面３５は、下方Ｄに偏向している燃料噴霧の流れを、矢印Ｋで示すように、キャビティ底面３６に沿う方向すなわち気筒軸方向に直交する方向に曲げて、キャビティ底面３６に流す。キャビティ底面３６に沿って流れる燃料噴霧は、キャビティ壁３３からの熱を受けて気化すると共に、周囲の空気と混合されていく。また、燃料噴霧の流れは、キャビティ底面３６に接しながら流れることで、その流動速度が減速されていく。
【００６３】
そして、キャビティ底面３６に沿って流れた燃料噴霧は、キャビティ側面３７に沿って上方Ｕに曲げられて、点火プラグ５５の火花放電部５５ａに向けて流れる。このように、燃料噴射弁５０からの燃料噴霧は、噴孔５０ａからキャビティ壁３３の側面３７に直線的に衝突することがないので、キャビティ壁３３の排気側の縁３３ｈから排気側にこぼれてしまうことがない。このため、点火プラグ５５の火花放電部５５ａの近傍には、燃料噴射弁５０の燃料噴射量に見合った成層混合気６６が形成される。内燃機関１０は、点火プラグ５５を圧縮上死点後のクランク角（例えば、圧縮上死点後２０°）で点火することで、火花放電部５５ａの近傍に形成された成層混合気６６を燃焼させる。
【００６４】
このようにして、内燃機関１０は、圧縮上死点後という遅い点火時期で成層混合気に点火して燃焼させることが可能となる。内燃機関１０は、成層混合気を圧縮上死点後の点火時期で点火することで、圧縮上死点前の点火時期で点火する場合に比べて、気筒内で生成される既燃ガスを、より高温なものとすることができる。これにより、内燃機関１０は、始動時などの暖機中に成層燃焼を行って、暖機完了後である通常時に比べて大幅に点火時期を遅角させることができる。この結果、内燃機関１０は、排気温度を上昇させる能力が向上し、暖機中において図示しない排気浄化触媒をより早期に活性化させることが可能となる。
【００６５】
以上に説明したように、本実施例では、キャビティ壁３３のうち燃料噴射弁５０側（吸気側）の縁３３ｅから点火プラグ５５側（排気側）には、燃焼室４０側に凸となって湾曲して、燃料噴射弁５０からの燃料噴霧の流れをキャビティ壁３３側に偏向させる、凸状湾曲面３４を設けるものとした。凸状湾曲面３４は、燃料噴射弁５０の噴孔５０ａから噴射されて近接する燃料噴霧の流れを、コアンダ効果を利用して、キャビティ壁３３の底面３６側に偏向させる。
【００６６】
これにより、内燃機関１０は、燃料噴霧の流れをより確実にキャビティ壁３３に沿わせることができる。燃料噴射弁５０からの燃料噴霧は、キャビティ壁３３に沿って流動するため、燃料噴霧がキャビティ４４からこぼれてしまうことを抑制することができる。
【００６７】
また、本実施例では、キャビティ壁３３は、凸状湾曲面３４に加え、ピストン３０の略中央に設けられているキャビティ底面３６と、キャビティ底面３６から気筒軸方向に沿って点火プラグ５５の火花放電部５５ａに向けて延びているキャビティ側面３７と、燃焼室４０側に凹となって湾曲しており、凸状湾曲面３４とキャビティ底面３６とを滑らかに接続する接続面３５とを有するものとした。
【００６８】
凸状湾曲面３４は、燃料噴射弁５０からの燃料噴霧の流れをキャビティ壁３３側に偏向させ、接続面３５は、凸状湾曲面３４により流れが偏向した燃料噴霧をキャビティ底面３６に沿って流す。内燃機関１０は、凸状湾曲面で流動方向が偏向された燃料噴霧を、より確実にキャビティ底面３６に沿わせることができる。これにより、キャビティ底面３６において燃料噴霧の流動速度を十分に減速させることができ、燃料噴射弁５０からの燃料噴霧が直線的にキャビティ壁３３の側面３７に衝突してキャビティ４４から排気側にこぼれてしまうことを抑制することができる。
【００６９】
また、本実施例では、燃料噴射弁５０は、噴孔５０ａからキャビティ４４に向かうに従ってクランク軸方向に拡がる扇形状の燃料噴霧を形成するものとし、凸状湾曲面３４は、燃料噴射弁５０側の縁の長さＭすなわちクランク軸方向Ｓの幅が、この縁３３ｅの上を流れる燃料噴霧のクランク軸方向Ｓの幅Ｎに比べて大きく設定されており、且つ、凸状湾曲面３４のクランク軸方向Ｓの両側を規定する縁３３ｆ、３３ｇのなす角度Ｐが、燃料噴霧の扇形状の中心角Ｑに比べて大きく設定されてものとした。これにより、燃料噴射弁５０の噴孔５０ａから扇形状に拡がる燃料噴霧のすべてを、凸状湾曲面３４により確実にキャビティ壁３３側に偏向させることができる。
【００７０】
また、本実施例では、燃料噴射弁５０の燃料噴射時期は、圧縮行程中に設定されており、点火プラグの点火時期は、圧縮上死点後に設定されているものとしたので、圧縮上死点後の遅いタイミングで点火プラグ５５の火花放電部５５ａの近傍に、燃料噴射量に見合った着火性の良好な成層混合気６６を形成して、これを着火させて燃焼させることができる。これにより、始動時など内燃機関１０の暖機中において、排気温度を上昇させて排気浄化触媒（図示せず）の早期活性化を図ることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
以上のように、本発明に係る内燃機関は、燃焼室内で成層燃焼が可能な筒内噴射式の火花点火機関に有用であり、特に、自動車に原動機として搭載されるガソリン機関に適している。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本実施例に係る内燃機関の気筒周辺の構成を示す断面図である。
【図２】本実施例に係る燃料噴射弁と点火プラグと吸・排気弁の配置関係を示す図であり、ピストン側からシリンダヘッドを見た図である。
【図３】本実施例に係るピストンの縦断面図であり、キャビティ壁の形状を説明する図である。
【図４】本実施例に係るピストンの上面図であり、キャビティ壁の形状を説明する図である。
【図５】本実施例に係るピストンの上面図であり、キャビティ壁と燃料噴霧との関係を示す図である。
【図６】本実施例に係る内燃機関における燃料噴霧の流れを説明する気筒周辺の断面図である。
【符号の説明】
【００７３】
１０  内燃機関
２０  シリンダヘッド
２２  天井壁
２２ａ  天井壁中央部
２２ｃ  天井壁周縁部
３０  ピストン
３１  頂部
３２  頂面
３３  キャビティ壁
３３ｅ  吸気側の縁（燃料噴射弁側の縁）
３３ｆ，３３ｇ  側方の縁
３３ｈ  排気側の縁
３４  凸状湾曲面
３５  接続面
３６  底面（キャビティ底面）
３７  側面（キャビティ側面）
４０  燃焼室
４４  キャビティ
５０  燃料噴射弁（燃料噴射装置）
５０ａ  噴孔
５５  点火プラグ
５５ａ  火花放電部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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