(57)【要約】【課題】筒内直噴式内燃機関の成層混合気を生成可能な燃料噴射時期の制御範囲を拡大して、成層燃焼領域を拡大する。【解決手段】シリンダ軸線付近に点火プラグを配置すると共に、ピストン４冠面の略中央に底壁面と側壁面とを有するキャビティ１１を凹設した筒内直噴式内燃機関で、キャビティ１１側壁面の上方に燃料噴射弁の先端部を配置するとともに、この燃料噴射弁から前記キャビティ１１の側壁面へ向けて燃料を噴射する構成とし、多くの燃料をキャビティ１１側壁面の上方から下方へ向かいシリンダ軸線に沿って進行させ、衝突時のピストン位置（クランク角度）が異なっていても常に同じ位置関係を保ってキャビティ側壁面に衝突させることにより、成層混合気の形成に対する燃料噴射時期の影響を小さくし、設定可能な燃料噴射時期の範囲を広げ、成層燃焼可能な運転領域を拡大させるようにした。【選択図】　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ軸線付近に点火プラグを配置し、ピストン冠面の略中央に底壁面と側壁面とを有するキャビティを凹設した筒内直噴式内燃機関であって、
前記キャビティ側壁面の上方に燃料噴射弁の先端部を配置するとともに、この燃料噴射弁から前記キャビティ側壁面へ向けて燃料を噴射することを特徴とする筒内直噴式内燃機関。
【請求項２】
前記燃料噴射弁を、該燃料噴射弁から噴射される燃料の噴霧円錐の中心軸線とシリンダ軸線とのなす角度が噴霧円錐角の略１／２となるようシリンダヘッドに取り付けたことを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴式内燃機関。
【請求項３】
前記燃料噴射弁は、中空円錐形からシリンダ中心側の一部分を切り欠いた半円錐状の噴霧を形成することを特徴とする請求項２に記載の筒内直噴式内燃機関。
【請求項４】
前記燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧が、燃料噴射弁中心軸に対して非対称であり、燃料噴霧の重心方向がシリンダ軸線方向と略平行であることを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴式内燃機関。
【請求項５】
前記燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の最もシリンダ周壁に近い側の稜線が、シリンダ軸線と略平行であることを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴式内燃機関。
【請求項６】
前記燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧が平板状であり、燃料噴霧の噴射方向がシリンダ軸線方向と略平行であることを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴式内燃機関。
【請求項７】
前記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧の少なくとも半分が、前記キャビティのシリンダ中心側の壁面に対して鈍角をなして衝突するよう設定されていることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の筒内直噴式内燃機関。
【請求項８】
前記キャビティは、側壁面から底壁面に向かって緩やかな勾配を有することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の筒内直噴式内燃機関。
【請求項９】
前記キャビティの点火プラグ下方位置に、キャビティ底壁面から上部に向かう緩やかな勾配を有することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の筒内直噴式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室内に直接燃料噴射する筒内直噴式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の筒内直噴式内燃機関として、特開平１１−８２０２８号公報に示すものでは、燃焼室上部に設けた燃料噴射弁から中空円錐状の燃料を、ピストン冠面に設けたキャビティに向けて噴射する構成としている。キャビティは円筒状の周壁面と底壁面と円錐状隆起部からなり、上方より噴射された略中空円錐状の燃料噴霧はキャビティの周壁面に鋭角に衝突し、該周壁面に衝突した燃料が底壁面および円錐隆起部を経て、円錐状隆起部の上方に設けた点火プラグに向けて上昇することで、点火プラグ周辺に成層混合気を形成することを意図している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の筒内直噴式内燃機関においては、燃料噴霧が広がりながら進行すると共に、ピストン摺動方向と燃料進行方向ないしは燃料の広がり方向が大きく異なり、その結果、機関回転速度ならびに機関負荷に応じて燃料噴射時期が変わった場合に、ピストンに衝突する際の燃料噴霧の広がり程度や、ピストンヘの衝突位置などが大きく異なってくるため、必ずしも意図したような良好な成層混合気を形成できない。
【０００４】
すなわち、ある限られた期間のみ燃料噴射が可能であるため、成層燃焼を行える運転領域が制限され、燃料消費率の向上、排気エミッション低減が十分に行えない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明は、シリンダ軸線付近に点火プラグを配置し、ピストン冠面の略中央に底壁面と側壁面とを有するキャビティを凹設する一方、このキャビティ側壁面の上方に燃料噴射弁の先端部を配置し、この燃料噴射弁から前記キャビティ側壁面へ向けて燃料を噴射する構成とした。
【０００６】
このようにすれば、燃料噴射弁から噴射された燃料の噴霧は、キャビティ側壁面の上方から下方へ向かいシリンダ軸線に沿って進行する燃料の割合が多くなり、この方向に進行する燃料は、衝突時のピストン位置（クランク角度）が異なっていても常に同じ位置関係を保ってキャビティ側壁面に衝突するので、成層混合気の形成に対する燃料噴射時期の影響が小さくなり、設定可能な燃料噴射時期の範囲を広げることができる。その結果、成層燃焼可能な運転領域が拡大して燃料消費率の向上、排気エミッション低減を十分に行うことができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１及び図２に、本発明の第１実施形態の構成を示す。燃焼室１はシリンダヘッド２と、シリンダブロック３と、ピストン４によって画成され、吸気ポート５と排気ポート６と、それぞれ吸気弁７、排気弁８を介して連通している。燃焼室１上部には、前記吸気弁７、排気弁８とともに、燃料噴射弁９と点火プラグ１０が配されており、点火プラグ１０が燃焼室１の略中心に設置されている。ピストン４冠面には燃料噴霧を受け止めるためのキャビティ１１が設けられている。該キャビティ１１は図２に示すように、平面図において略円形をなし、側壁面から底壁面に向けて緩やかな勾配を有している。
【０００８】
図３は、第１実施形態の燃料噴霧の形態を示す。前記キャビティ１１側壁面の上方に燃料噴射弁９の先端すなわち噴孔９ａが位置し、この燃料噴射弁９から前記キャビティ１１側壁面１１へ向けて噴射した燃料の噴霧円錐の中心軸線とシリンダ軸線とのなす角度βが噴霧円錐角αの略１／２となるように、燃料噴射弁９をシリンダヘッド２に取り付ける。
【０００９】
また、前記燃料噴霧は、噴孔９ａ形状等により、前記中空円錐形からシリンダ中心側の半分を切り欠いた半円錐状に形成される。
ここで、燃料噴射は各サイクル中に燃料噴射弁を所定期間開弁することで行われ、燃料噴射量は一般的な燃料噴射弁では噴射率が一定であるため、燃料噴射期間を変えることで調整され、その場合、噴射開始時期または終了時期を変更することになる。機関回転速度が変わった場合は、要求負荷に基づいて所定期間の燃料噴射が行われるが、噴射期間が同一でも、噴射開始時期が固定の場合、回転速度が高い場合は、クランク角度換算では噴射終了時期が遅くなる。反対に、噴射終了時期が固定の場合は、噴射開始が相対的に早まることになる。また、機関負荷が変わる場合も、当然のことながら、噴射期間の変化に伴い、噴射終了時期または噴射開始時期が変動することになる。この結果、既述したように、従来の噴霧形態では、機関の負荷や回転速度の変化に応じて噴射終了時期または噴射開始時期が変動すると、ピストン冠面に燃料噴霧が衝突する際のピストン位置が大きく変化し、良好な成層混合気を安定して得ることが困難であった。
【００１０】
これに対し、本実施形態では、前記キャビティ１１側壁面の上方に燃料噴射弁９の先端を配置するとともに、この燃料噴射弁９から前記キャビティ１１側壁面へ向けて燃料を噴射する構成としたため、燃料噴霧の多くがキャビティ１１側壁面の上方から下方へ向かいシリンダ軸線に沿って進行し、衝突時のピストン位置（クランク角度）が異なっていても常に同じ位置関係を保ってキャビティ側壁面に衝突するので、成層混合気の形成に対する燃料噴射時期の影響が小さくなり、設定可能な燃料噴射時期の範囲を広げられ、成層燃焼可能な運転領域が拡大して燃料消費率の向上、排気エミッション低減が促進される。
【００１１】
上記本実施形態の効果を、図４を用いてより詳細に説明する。図４は、成層燃焼を行うために圧縮行程噴射を行った場合の、筒内の燃料の運動を示す。燃料噴射弁９から噴射される燃料は、シリンダ軸線方向、すなわちピストン摺動方向に噴射されるため、燃料噴射時期によらずキャビティ１１のおおむね同一位置で受け止められる。
【００１２】
燃料噴射弁９の中心部とキャビティ１１周壁のスロープ部１１ａとが、シリンダ軸線投影方向に同じ個所に配されているため、燃料噴霧はキャビティ１１周壁の対向するスロープ部１１ａに衝突する。燃料噴霧は１０Ｍｐａ以上の高圧で噴射されるため、該スロープ部１１ａに一旦衝突した後、その貫徹力で該スロープ部１１ａの勾配により方向を変え、キャビティ１１底面を点火プラグ１０下方に設けたシリンダ軸線を挟んで反対側のスロープ部に向けて進む。
【００１３】
この際、高圧噴射により微粒化された燃料噴霧がスロープと鈍角をなして衝突するため、冠面上に厚い液膜を生じることがなく、キャビティ１１底面を這うように移動する噴霧および液膜は順次気化・混合がなされる。しかる後に、点火プラグ１０下方のキャビティ１１周壁のスロープ部により燃料噴霧は燃焼室１上側へ跳ね上げられ、点火プラグ１０付近に良好な混合気を形成する。上記ような混合気運動は、ピストン４摺動方向に燃料噴霧が噴射されるため、機関負荷、回転速度によって、燃料噴射時期、燃料噴射期間が変わってもおおよそ同様となり、幅広い運転領域で良好な混合気を点火プラグ１０周辺に形成することが可能となる。
【００１４】
また本実施形態では、前記燃料噴射弁を、噴霧円錐の中心軸線とシリンダ軸線とのなす角度が噴霧円錐角の略１／２となるようシリンダヘッドに取り付け、かつ、中空円錐形からシリンダ中心側の一部分を切り欠いた半円錐状の噴霧を形成するように構成したため、以下のような効果が得られる。
すなわち、従来一般的なように燃料噴霧を切れ目のない中空円錐状とし、成層燃焼のために圧縮行程後半に燃料噴射を行った場合、円錐内部が圧縮行程後半の高い雰囲気圧力に対して低圧となるために、噴霧が内側に寄せられ、結果的に噴霧角が小さくなる。ところが、本実施形態のように、噴霧を半円錐状に広げることにより、噴霧内外に差圧を生じることがないため、噴霧角が筒内圧力つまりは噴射時期によって大きく変化することがない。したがって、キャビティ１１の一部に集中して燃料が衝突することを防ぐことが可能となり、スモークや燃焼室デポジットの生成を抑制することができる。
【００１５】
図５は、第２実施形態のキャビティ形状を示す。第２実施形態ではキャビティ１１の側壁面から底壁面に向けて緩やかな傾斜を有しているが、燃料噴射弁９側に相当する方向から点火プラグ１０側に相当するキャビティ１１位置に向けて、扇状に開口部が狭くなるように設定されている。これにより、一旦受け止めた燃料をより集中させて点火プラグ１０方向へ導くことが可能となる。
【００１６】
図６は、第３実施形態の燃料噴霧形状の模式図を示す。ここでは燃料噴射弁９は多噴孔のホールノズルであり、噴霧の重心がシリンダ軸線方向と略一致するように、各噴孔の指向方向がおおむねシリンダ中心軸方向を向いており、燃料噴霧形状は各噴孔から噴射される燃料噴霧が半円形をなすよう配置されている。
このように、本実施形態では、前記燃料噴射弁９から噴射される燃料噴霧が、燃料噴射弁９中心軸に対して非対称であり、燃料噴霧の重心方向がシリンダ軸線方向と略平行である構成としたため、燃料噴射時期によらずキャビティ１１で確実に燃料を受け止めることが可能となり、広い運転領域で良好な性状の混合気を点火プラグ１０に配することにより成層燃焼が可能となる。
【００１７】
図７は、第４実施形態の燃料噴霧形状の模式図を示す。第３実施形態と同様、燃料噴射弁９は多噴孔のホールノズルであり、燃料噴霧形状は各噴孔から噴射される燃料噴霧が半円形をなすよう配置される点も同様であるが、半円形の中心部分がシリンダ軸線と平行に指向するように配される。
本実施形態では、前記燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の最もシリンダ周壁に近い側の稜線が、シリンダ軸線と略平行であるように構成したことにより、ピストン摺動方向と異なる方向へ飛翔する燃料噴霧を少なくすることができ、第３実施形態と同様、広い運転領域で良好な混合気を点火プラグ１０に配することが可能となる。
【００１８】
図８は、第５実施形態のピストン形状を示す。本実施形態では、燃料噴射弁９下方のピストンキャビティ形状が平面図において略直線状をなしている。該第５実施形態における燃料噴霧は、概略を図９に示すように、平板状の燃料噴霧を噴孔がスリット状に開口した燃料噴射弁を用いて噴射する構成となっている。図８に示すピストン冠面に対して、図９に示す平板状の燃料噴霧がシリンダ軸線方向に噴射され、直線状のスロープで一旦噴霧を受け止めた後、燃料噴射時期、燃料噴射期間が変わっても、キャビティを経由して点火プラグ付近に良好な混合気を形成し、幅広い運転領域で良好な混合気を点火プラグ周辺に形成することが可能となる。
【００１９】
本実施形態では、前記燃料噴射弁９から噴射される燃料噴霧が平板状であり、燃料噴霧の噴射方向がシリンダ軸線方向と略平行であるように構成したため、噴霧の進行方向のベクトルが揃うことになり、キャビティ１１で受け止めやすい上に、一旦受け止められた燃料噴霧がキャビティ１１内で進む方向を制御しやすくなり、より確実に成層混合気を形成できる。
【００２０】
また、各実施形態に共通して、前記燃料噴射弁９から噴射された燃料噴霧の少なくとも半分が、前記キャビティ１１のシリンダ軸線側の壁面に対して鈍角をなして衝突するよう設定されている構成としたため、衝突した燃料噴霧はキャビティ１１で進行方向を変え、点火プラグ１０方向に向かうため、キャビティ１１内に厚い液膜を形成することない。一旦薄く付着した燃料液膜は速やかに気化・混合がなされるため、スモーク、燃焼室デポジットを生成することがなく、成層燃焼を行うことができる。
【００２１】
同じく、各実施形態に共通して、前記キャビティ１１が、側壁面から底壁面に向かって緩やかな勾配を有するように構成したため、ピストン４冠面のキャビティ１１で受け止められた燃料が気化しながら、勾配を這い上がり、点火プラグ１０方向へと舞い上がることにより、確実に点火プラグ１０周辺に成層混合気を配置することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す縦断面図。
【図２】同上実施形態のピストンを示す平面図及び縦断面図。
【図３】同上実施形態の燃料噴霧の形態を示す図。
【図４】同上実施形態の筒内の燃料の運動を示す図。
【図５】第２同上実施形態のピストンを示す平面図及び縦断面図。
【図６】第３実施形態の燃料噴霧の形態を示す図。
【図７】第４実施形態の燃料噴霧の形態を示す図。
【図８】第５同上実施形態のピストンを示す平面図及び縦断面図。
【図９】第５実施例の燃料噴霧の形態を示す図。
【符号の説明】
１…燃焼室　　４…ピストン　　９…燃料噴射弁　　９ａ…噴孔　　１０…点火プラグ　　１１…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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