(57)【要約】【課題】ガス燃料を噴射する筒内直接噴射型内燃機関に適した、燃料噴射弁から噴射された燃料を点火プラグ周辺に集約する燃焼室を提供すること。【解決手段】ペントルーフ型に形成された筒内天井部８を有するシリンダヘッドと、燃料誘導溝６を頂面に設けたピストン５と、前記筒内天井部８と前記ピストン５の頂面と共に燃焼室７を形成するシリンダライナ４と、前記燃焼室７へ直接ガス燃料を噴射する燃料噴射弁９と、を有した筒内直接噴射型内燃機関において、前記燃料誘導溝６は前記燃料噴射弁９から噴射されたガス燃料を前記シリンダライナ４に誘導すると共に、前記シリンダライナ４に衝突し前記筒内天井部８に至った燃料を点火プラグ１０周辺に誘導する燃料誘導部１１を前記筒内天井部８に設けた。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペントルーフ型に形成された筒内天井部を有するシリンダヘッドと、前記筒内天井部に設けられた点火プラグと、燃料誘導溝を頂面に設けたピストンと、前記筒内天井部と前記ピストンの頂面と共に燃焼室を形成するシリンダライナと、前記燃焼室へ直接ガス燃料を噴射する燃料噴射弁と、を有した筒内直接噴射型内燃機関において、前記燃料誘導溝は前記燃料噴射弁から噴射されたガス燃料を前記シリンダライナに誘導すると共に、前記シリンダライナに衝突し前記筒内天井部に至った燃料を前記点火プラグ周辺に誘導する燃料誘導部を前記筒内天井部に設けたことを特徴とする筒内直接噴射型内燃機関。
【請求項２】
前記燃料噴射弁は吸気口、排気口のいずれか一方側に設けられ、前記燃料誘導溝は前記燃料噴射弁とは対向する前記シリンダライナに燃料を誘導することを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射型内燃機関。
【請求項３】
前記燃料噴射弁は前記燃焼室天井部に設けられ、前記燃料誘導溝は吸気口側と排気口側のそれぞれの前記シリンダライナに燃料を誘導することを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射型内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、筒内直接噴射型内燃機関に関するものであって、特に燃焼室における逆タンブル流を利用して噴射燃料を点火プラグに集める筒内直接噴射内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の筒内直接噴射型内燃機関として、例えば特開２０００−４５７７７に開示されたものが知られている。図７を参照しながらこの筒内直接噴射型内燃機関を説明すると、７は燃焼室、５はピストン、５３はピストン頂面の一部に設けられた凹部、９は燃料噴射弁、１０は点火プラグ、１２は吸気ポート、５１は吸気弁、１９は排気ポート、５２は排気弁をそれぞれ示す。シリンダヘッドの吸気弁５１が配置された位置のさらに外側で、一対の吸気弁５１の間の部分には、燃焼室７内に燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁９が点火プラグ１０に対して俯角で取り付けられている。
【０００３】
ピストン５の頂面の一部には凹部５３が形成されている。この凹部５３の表面形状は、吸気行程において吸気ポート１２から燃焼室７内に吸気を導入したときに、該燃焼室７内に図７に示すような順タンブル流が生じるように形成されている。
【０００４】
さらに燃焼室７の図示しないシリンダヘッド側の内壁面であって、点火プラグ１０が設けられた位置の気筒列方向（図８参照）の両側に、２つの吸入ポート１２の外縁部から点火プラグ１０に近接する最狭部まで延在する燃料誘導壁５０が、燃焼室７に向かって突出している。このような構成によりシリンダヘッドの内壁面には、上述した燃料誘導壁５０が形成されているので、該シリンダヘッドの内壁面へ上昇した噴射燃料は、この燃料誘導壁５０の外縁部から呼び込まれ、最狭部に至るまで燃料誘導壁５０に沿って徐々に点火プラグ１０の方向に集約される。
【０００５】
また、一般に自動車用の内燃機関の燃料としては、ガソリンなど液体燃料が用いられている。しかし、近年は石油の枯渇等の問題からガソリンの代替燃料してい天然ガス等のガス燃料が注目されている。
【０００６】
ガス燃料を利用する技術としては、予混合・火花点火・三元触媒方式や、予混合・火花点火・リーン・バーン方式、直接噴射方式が挙げられる。この中で直接噴射方式は直接筒内にガス燃料を噴射するため、他の方式と比べ吸気量の低減が少なく出力の改善を図ることが可能である。
【０００７】
しかし、上述した筒内直接噴射型内燃機関において、シリンダライナ４に燃料噴射弁９から噴射した燃料が付着すると、ピストン５の往復運動と共にシリンダライナ４に付着した燃料がエンジンオイルと混合される、所謂エンジンオイルの希釈が起こる。そのためピストン５頂面に凹部５３を深く形成してシリンダライナ４に燃料噴射弁９から噴射した燃料が付着しないようにしていた。
【０００８】
また、ピストン頂面に凹部５３を深く形成すると、燃料噴射弁９から噴射された燃料がこの凹部５３に溜まる。凹部５３に溜まった燃料は次回以降の燃焼時に燃焼して煤などの発生源となっていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】このように、上述した筒内直接噴射型内燃機関では様々な制約や問題を抱え、燃焼室内の構造もその制約や問題に対応したものとなっていた。したがって、同じ筒内直接噴射型内燃機関であっても燃料噴射弁によって噴射される燃料の性質がことなるため、上述した筒内直接噴射型内燃機関の燃焼室構造をそのままガス燃料を噴射する筒内直接噴射型内燃機関に適用することができなかった。そこで本発明が解決しようとする課題は、ガス燃料を噴射する筒内直接噴射型内燃機関に適した、燃料噴射弁から噴射された燃料を点火プラグ周辺に集約する燃焼室を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明は、ペントルーフ型に形成された筒内天井部を有するシリンダヘッドと、前記筒内天井部に設けられた点火プラグと、燃料誘導溝を頂面に設けたピストンと、前記筒内天井部と前記ピストンの頂面と共に燃焼室を形成するシリンダライナと、前記燃焼室へ直接ガス燃料を噴射する燃料噴射弁と、を有した筒内直接噴射型内燃機関において、前記燃料誘導溝は前記燃料噴射弁から噴射されたガス燃料を前記シリンダライナに誘導すると共に、前記シリンダライナに衝突し前記筒内天井部に至った燃料を前記点火プラグ周辺に誘導する燃料誘導部を前記筒内天井部に設けたことを特徴とする。
【００１１】
このように構成された筒内直接噴射型内燃機関では、燃料噴射弁から噴射されたガス燃料は、ピストン頂面→シリンダライナ→燃料誘導部の逆タンブル流を形成するため、噴射されたガス燃料の拡散の抑制して点火プラグ周辺にガス燃料が集約する。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記燃料噴射弁は吸気口、排気口のいずれか一方側に設けられ、前記燃料誘導溝は前記燃料噴射弁とは対向する前記シリンダライナに燃料を誘導することを特徴とする。
【００１３】
このように構成された筒内直接噴射型内燃機関では、例えば吸気口に燃料噴射弁が設けられた構成では、燃料噴射弁から噴射されたガス燃料は吸気口から筒内に流入した空気の流れと共に燃焼室内に流入するため、ガス燃料の制御性が向上する。また、排気口に燃料噴射弁が設けられた構成では、吸気口から筒内に流入した空気の流れに対して燃料噴射弁からガス燃料が噴射されるため、燃焼室に均質にミキシングされたガス燃料が提供される。
【００１４】
請求項３に記載された発明は、請求項１に記載の発明において、前記燃料噴射弁は前記燃焼室天井部に設けられ、前記燃料誘導溝は吸気口側と排気口側のそれぞれの前記シリンダライナに燃料を誘導することを特徴とする。
【００１５】
このように構成された筒内直接噴射型内燃機関では、燃焼室天井部に燃料噴射弁が設けられ、該燃料噴射弁から噴射されたガス燃料は、ピストン帳面に形成された燃料誘導溝によって吸気口側と排気口側のシリンダライナに導かれ、さらに燃焼室天井部に設けられた燃料誘導部によりそれぞれ点火プラグ周辺に導かれる。点火プラグ周辺では吸気口側と排気口側のシリンダライナから導かれたガス燃料が衝突してミキシングが促進される。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施形態を説明する。図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はシリンダライナ、５はピストン、６は燃料誘導溝、７は燃焼室、８はペントルーフ型に形成されたシリンダヘッドの天井部、９は電気制御式燃料噴射弁（以下、燃料噴射弁）、１０は点火プラグ、１１は燃料誘導部、をそれぞれ示す。吸気ポート１２は対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は吸気ダクト１５を介してエアクリーナ１６に連結される。吸気ダクト１５内にはステップモータ１７により駆動されるスロットル弁１８が配置される。一方、排気ポート１３は排気マニホルド２０及び排気管２１を介して触媒コンバータ２２に接続される。
【００１７】
図１に示されるように、点火プラグ１０はシリンダヘッド３の内壁面のほぼ中央部に配置される。これに対し、燃料噴射弁９はシリンダヘッドの内壁面の周縁部に配置される。また、ピストン５の頂面上には、燃料噴射弁９の下方から対向するシリンダライナ４の付近まで延びる凹状の燃料誘導溝６が形成される。
【００１８】
燃料噴射弁９は筒内にガス燃料を直接噴射するためのものである。図１に示されるように、燃料噴射弁９は燃料デリバリパイプ２３に連結される。この燃料デリバリパイプ２３はレギュレータ２４を介してガス燃料貯留部即ちボンベ２５に連結される。ガス燃料ボンベ２５内のガス燃料はレギュレータ２４により予め定められた圧力まで減圧された後に燃料デリバリパイプ２３に供給され、次いで燃料噴射弁９から機関に供給される。なお、図１に示される内燃機関では、ガス燃料としてＣＮＧ（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ  Ｎａｔｕｒａｌ  Ｇａｓ：圧縮天然ガス）が用いられる。しかしながら、これに代えて他のガス燃料を用いることもできる。
【００１９】
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（中央演算処理装置）３４、常時電源に接続されているＢ−ＲＡＭ（バックアップＲＡＭ）３５、入力ポート３６、及び出力ポート３７を具備する。サージタンク１４には、サージタンク１４内の吸気圧力に比例した出力電圧を発生する圧力センサ４０が取り付けられる。この圧力センサ４０の出力信号は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。アクセルペダル（図示しない）にはアクセルペダルの踏み込み量に比例した出力を発生する踏み込み量センサ４１が接続され、踏み込み量センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。このアクセルペダルの踏み込み量は要求負荷を表している。また、入力ポート３６にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路３９を介して燃料噴射弁９、点火プラグ１０、及びステップモータ１７にそれぞれ接続される。
【００２０】
図２は本実施例における燃焼室内のガス燃料の流れを示す。内燃機関の吸気行程において吸気ポート１２から燃焼室７に空気が導入されると共に、圧縮行程末期において燃焼室７に導入された空気の気流に沿って燃料噴射弁９からピストン５の燃料誘導溝６に向けてガス燃料が噴射される。なお、燃料噴射弁９から噴射されるガス燃料量は例えば機関回転数Ｎと要求負荷Ｌとにより定められる機関運転領域に基づいて決定される。
【００２１】
ガス燃料はガソリン等の液体燃料に比べ、２．５〜３．０倍の速度で燃料噴射弁９から噴射される。そのため、燃料噴射弁９から噴射されたガス燃料は空気と混合して燃料誘導溝６に衝突した後に燃料噴射弁と対向する位置のシリンダライナ４に衝突する。シリンダライナに衝突したガス燃料は排気ポート１３に向かって上昇し、ペントルーフ型の天井部８に設けられた燃料誘導部によって点火プラグ１０周辺に集約される。このように燃料噴射弁９から噴射されたガス燃料は燃料誘導溝６→シリンダライナ４→燃料誘導部と、所謂逆タンブル流を形成しながら点火プラグ１０の周囲に濃い混合気を形成する。点火プラグ１０の周囲に濃い混合気が形成されることにより点火プラグによる混合気の着火性が向上する。
【００２２】
以下に図３を参照してピストン５の頂面上に形成された燃料誘導溝６を詳しく説明する。図３（ａ）はピストン５の平面図、図３（ｂ）はピストン５の正面図である。燃料噴射弁９から噴射されたガス燃料を燃料噴射弁と対向する位置のシリンダライナ４に衝突するよう燃料誘導溝６は浅い凹状となっている。この燃料誘導溝６が深く形成されていると、燃料噴射弁９から噴射されたガス燃料は深く形成された燃料誘導溝６によってその進行方向が代えられてしまい、その結果シリンダライナ４に衝突しにくくなる。そのため、上述した逆タンブル流を形成せず燃焼室７内に拡散してしまい点火プラグによる混合気の着火性を阻害してしまう。さらに、ピストン５の位置によって、燃料噴射弁９から噴射されるガス燃料が衝突する燃料誘導溝６上の位置が変化するためシリンダライナ４にガス燃料を誘導することができなくなる。本発明では、燃料誘導溝６が浅く形成することにより、燃料噴射弁９から噴射されたガス燃料をシリンダライナ４に誘導し易くし、その結果燃料噴射弁９から噴射されたガス燃料が燃料誘導溝６の点火プラグ１０の周辺に濃い混合気を形成することができる。燃料誘導溝６の幅はピストン５が下死点にあるときに、燃料噴射弁９から噴射されたガス燃料を受け止められる程度の大きさで形成される。
【００２３】
また、燃料誘導溝６は図４のように構成することもできる。図３と相違するのは燃料誘導溝６が燃料噴射弁９に近い側に比べ遠い側がより深く構成されている点と、燃料誘導溝６の燃料噴射弁９から遠い側の縁がほぼ垂直に構成されている点である。図４（ｂ）のように構成された燃料誘導溝６では図３に示した燃料誘導溝６と比べ、燃料噴射弁９から噴射されたガス燃料がシリンダライナ４に対して跳ね上がり易くなるため、より点火プラグ１０周辺に混合気が集約し易くなる。さらに、燃料誘導溝６の燃料噴射弁９側を狭くし、燃料噴射弁９に対向するシリンダライナ４に近づくに連れて徐々に幅が広くなるように構成してもよい。このように燃料誘導溝６を燃料噴射弁９から噴射されるガス燃料の噴霧形状に合わせることで、燃料誘導溝６の加工がより簡易となる。
【００２４】
図４（ｂ）はピストン５の正面図である。燃料誘導部１１はシリンダライナ４に衝突し排気ポート１３付近まで上昇したガス燃料を点火プラグ１０周辺に集約させるためのものであり、点火プラグ１０と干渉することなく燃焼室７内に突出して設けられている。燃料誘導部１１は点火プラグ１０から気筒列方向に遠ざかるに従って排気ポート１３側に湾曲するように構成することで、シリンダライナ４に衝突して上昇したガス燃料をより好適に点火プラグ１０周辺に集約することが可能となる。なお、燃料誘導部１１はこの構成に限定されるものではなく、シリンダライナ４に衝突して上昇したガス燃料を点火プラグ１０周辺に集約するように構成されていればよい。
【００２５】
第１の実施形態では、吸気ポート１２側に燃料噴射弁９を設けて、ペントルーフ型の天井部８の排気ポート１３側に燃料誘導部１１を設けたが、逆に排気ポート１３側に燃料噴射弁９を設け、ペントルーフ型の天井部８の吸気ポート１２側に燃料誘導部１１を設けてもよい。こうすることにより、吸気ポート１２から導入される空気に対して燃料噴射弁９からガス燃料が噴射されることになり、空気とガス燃料のミキシングが促進される。この場合、燃料誘導溝６は図３に示した浅い凹状でもよいし、図４に示したように燃料誘導溝６が燃料噴射弁９に近い側に比べ遠い側がより深く構成されていて、燃料誘導溝６の燃料噴射弁９から遠い側の縁がほぼ垂直に構成されていてもよい。
【００２６】
次に図５を参照して本発明の第２の実施形態を説明する。第１の実施形態と実質的に同一の構成部分については同一の番号を付し、異なる部分についてのみ説明する。
【００２７】
本実施形態における筒内直接噴射式内燃機関では、燃料噴射弁９がペントルーフ型の天井部８の点火プラグ１０付近に設けられており、ガス燃料を燃焼室７に向かって垂直に噴射する構成となっている。このため、ピストン５の頂面上に設けられた燃料誘導溝６の形状も燃料噴射弁９から噴射されるガス燃料の噴霧形状に合わせ、燃料誘導溝６の中央部に衝突したガス燃料が吸気ポート１２側のシリンダライナ４Ａ、及び排気ポート１３側のシリンダライナ４Ｂにそれぞれ向うように、燃料誘導溝６の中央部には溝が形成されていない部分がある。図６（ａ）は本実施形態におけるピストン５の平面図であり、図６（ｂ）は正面図である。燃料誘導溝６はそれぞれ燃料誘導溝６Ａと燃料誘導溝６Ｂの領域に分割することができる。燃料噴射弁９から噴射されたガス燃料は、燃料誘導溝６Ａ、６Ｂにそれぞれ衝突し、燃料誘導溝６Ａに衝突したガス燃料は吸気ポート１２側のシリンダライナ４Ａに、燃料誘導溝６Ｂに衝突したガス燃料は排気ポート１３側のシリンダライナ４Ｂにそれぞれ誘導される。シリンダライナ４Ａ，４Ｂに誘導され衝突したガス燃料はペントルーフ型の天井部８に向けて上昇する。
【００２８】
ペントルーフ型の天井部８には吸気ポート１２側、排気ポート１３側にそれぞれ燃料誘導部１１Ａ，１１Ｂが設けられている。シリンダライナ４Ａ，４Ｂに誘導され衝突したガス燃料はそれぞれ燃料誘導部１１Ａ，１１Ｂによって点火プラグ１０周辺に集約される。このため、点火プラグ１０周辺に濃い混合気が形成されるため、点火プラグ１０による着火性が向上する。さらに、点火プラグ１０下方において、燃料誘導部１１Ａ、１１Ｂにそれぞれ誘導されたガス燃料が衝突するため、混合気が点火プラグ１０周辺に滞在する時間が長くなるため、より燃焼が安定する。
【００２９】
また、第１の実施形態と同様に、燃料誘導溝６Ａ，６Ｂを燃料噴射弁９から遠い側が近い側に比べてより深く形成されていてもよいし、燃料誘導溝６Ａ，６Ｂの縁をほぼ垂直に形成してもよい。このように構成することでシリンダライナ４Ａ、４Ｂに衝突して上昇したガス燃料をより好適に点火プラグ１０周辺に集約することが可能となる。
【００３０】
【発明の効果】以上のように、本発明に係る筒内直接噴射式内燃機関によれば、燃料噴射弁から噴射されたガス燃料が燃焼室に拡散することを抑制すると共に、点火プラグ周辺に集約させることができる。このことにより点火プラグによる着火性を向上させると共に燃焼を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を説明する図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における燃焼室内のガス燃料の流れを示す。
【図３】本発明の第１の実施形態のピストン、及び燃焼室を示す図であり、（ａ）は平面図（ｂ）は正面図である。
【図４】本発明における第１の実施形態のピストン、及び燃焼室の変形例を示す図であり、（ａ）は平面図（ｂ）は正面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態を説明する図である。
【図６】本発明の第２の実施形態のピストン、及び燃焼室を示す図であり、（ａ）は平面図（ｂ）は正面図である。
【図７】従来の筒内直接噴射型内燃機関を説明する図である。
【図８】従来の筒内直接噴射型内燃機関の燃焼室における順タンブル流を説明する図である。
【符号の説明】
１    機関本体
２    シリンダブロック
３    シリンダヘッド
４、４Ａ、４Ｂ    シリンダライナ
５    ピストン
６、６Ａ、６Ｂ    燃料誘導溝
７    燃焼室
８    ペントルーフ型天井部
９    電気制御式燃料噴射弁
１０    点火プラグ
１１、１１Ａ、１２Ｂ  燃料誘導部
１２    吸気ポート
１３    吸気枝管
１４    サージタンク
１５    吸気ダクト
１６    エアクリーナ
１７    ステップモータ
１８    スロットル弁
１９    排気ポート
２０    排気マニホルド
２１    排気管
２２    触媒コンバータ
２３    燃料デリバリパイプ
２４    レギュレータ
２５    ガス燃料ボンベ
３０    電子制御ユニット
３１    双方向バス
３２    ＲＯＭ（リードオンリメモリ）
３３    ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）
３４    ＣＰＵ（中央演算処理装置）
３５    Ｂ−ＲＡＭ（バックアップＲＡＭ）
３６    入力ポート
３７    出力ポート
３８    ＡＤ変換器
３９    駆動回路
４０    圧力センサ
４１    踏み込み量センサ
４２    クランク角センサ
５０    燃料誘導壁
５１    吸気弁
５２    排気弁
５３    凹部
【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】
2004183557.tif 000008
【図７】
2004183557.tif 000009
【図８】
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