(57)【要約】    【課題】  圧縮行程噴射時に、混合気の成層度を保ちながら、点火プラグ１４の点火位置に混合気を安定して形成する。    【解決手段】  ピストン冠面５ａに円筒形状の第１キャビティ７と、この第１キャビティ７の底面の第２キャビティ８とを形成し、第２キャビティ８の中心Ｂを、第１キャビティ７の中心Ａとずらす。スワールコントロールバルブにより、第１キャビティ７内及び第２キャビティ８内にそれぞれスワール流Ｓ１，Ｓ２を形成し、上昇流Ｕにより点火プラグに燃料を輸送する。【選択図】  図２
2005171814.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室上部から直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃焼室上部の略中心に配設される点火プラグと、筒内にスワール流動を強化する手段とを具備し、ピストン冠面に円筒形状の第１キャビティを持ち、この第１キャビティ内に第２キャビティを具備すると共に、第２キャビティの中心を、第１キャビティの中心とずらすよう前記第１キャビティ及び前記第２キャビティを形成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】
ピストンの軸中心側にて第２キャビティの外周が前記第１キャビティの略中心に位置するように形成することを特徴とする請求項１記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項３】
第１キャビティの中心は、シリンダ軸と平行で且つ点火プラグの点火位置の下方にあることを特徴とする請求項１または請求項２記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項４】
前記第２キャビティは、燃料噴射弁の軸心の延長線上にあることを特徴とする請求項１または請求項２記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項５】
前記第２キャビティの中心は、燃料噴射弁の軸心の延長線上にあることを特徴とする請求項１または請求項２記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項６】
前記燃料噴射弁を、燃焼室上部の略中央に配設することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項７】
予め定められた運転領域において、圧縮行程時に燃料を噴射する成層燃焼での運転を行い、この運転時に、前記スワール流動強化手段がスワール流動を強化することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項８】
予め定められた成層燃焼運転領域において、前記燃料噴射弁が第２キャビティ内に燃料を噴射し、前記スワール流動強化手段がスワール流動を強化することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項９】
予め定められた成層燃焼運転領域において、前記燃料噴射弁は、複数回の燃料噴射を１行程中に行い、最後に噴射される燃料を前記第２キャビティ内に噴射し、前記スワール流動強化手段がスワール流動を強化することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項１０】
前記燃料噴射弁は、スワール流動と同じ回転方向のスパイラル角を付加した噴孔を具備した多噴孔噴射弁であることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項１１】
前記燃料噴射弁は、スワール流動と同じ回転方向の流動により、中空噴霧を実現するスワール噴射弁であることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１つ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する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリン直噴式内燃機関の一例として、特許文献１に記載されているものがある。これは、シリンダヘッド中心からシリンダ軸と平行に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、この燃料噴射弁に隣接した位置に点火プラグを配設したものである。そして、燃料噴射弁は、部分負荷時に圧縮行程後期にて燃料を噴射することで、高効率な燃焼を実現するものである。
【０００３】
このような内燃機関においては、ピストン冠面の中心位置にボウル状にキャビティを形成して、このキャビティの中心位置に概ね円錐形状の隆起部を形成する。そして、燃料噴射弁からの燃料噴霧を、キャビティ周囲壁に鋭角で衝突させてボウル内を循環させることで点火プラグの点火位置に混合気を形成することが知られている。
【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、ボウル内循環による混合気形成だけでは、ボウルの大きさで燃費の良い負荷が決定してしまうため、ボウルの大きさにより燃費の悪い負荷ができてしまう。
本発明は、このような問題に着目してなされたもので、圧縮行程噴射時に、混合気の成層度を保ちながら、点火プラグの点火位置に混合気を安定して形成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そのため本発明では、筒内にスワール流を形成する筒内直接噴射式内燃機関において、ピストン冠面に円筒形状の第１キャビティと、この第１キャビティ内の第２キャビティとを形成し、第２キャビティの中心を、第１キャビティの中心とずらして形成した。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、第１キャビティの中心と第２キャビティの中心とをずらすことにより、キャビティ内に生成されるスワール流動の中心位置がずれ、これによって燃料噴霧の上昇流が生まれるとともに、点火プラグの点火位置に混合気を安定して形成することができ、安定かつ高効率な運転を実現できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る内燃機関１の構成を示す断面図である。
内燃機関１の燃焼室２は、シリンダヘッド３、シリンダブロック４及びピストン５によって形成される。
燃焼室２には、シリンダヘッド３に形成された吸気ポート１０と排気ポート１１とがそれぞれ連通している。そして、吸気ポート１０からの吸気または排気ポート１１からの排気を行うため、吸気バルブ１２と排気バルブ１３とがそれぞれ配設されている。吸気バルブ１２と排気バルブ１３とは、それぞれ吸気バルブ用カムと排気バルブ用カム（図示せず）とによって開閉駆動される。
【０００８】
燃焼室２上部の略中心には、燃料噴射弁１４がシリンダ軸方向の下向きに配設されている。燃料噴射弁１４の近傍（燃焼室２上部の略中心）の排気側には、点火プラグ１５が斜めに配設され、点火ギャップが燃焼室中心位置（シリンダ中心軸線上）に配置している。
ピストン５の冠面５ａには、キャビティ６が形成されている。このキャビティ６は、ピストン冠面５ａに形成される第１キャビティ７と、このキャビティ７の底面に形成される第２キャビティ８との２つから成る。第１キャビティ７及び第２キャビティ８は、第１キャビティ７の中心Ａと、第２キャビティ８の中心Ｂとが、ピストンの径方向（図の左右方向）でずれた位置になるよう形成されている。
【０００９】
第１キャビティ７は、シリンダ軸方向に略円筒形状に所定の深さで形成されている。このキャビティ７の外周の側壁は、ピストン冠面５ａからシリンダ軸下方に向かって拡径している。なお、第１キャビティ７の中心Ａは、シリンダ軸と平行で且つ点火プラグ１５の点火位置を通る直線の近傍にある。
第２キャビティ８は、第１キャビティ７内に形成され、シリンダ軸方向に円筒形状に所定の深さで形成されている。第２キャビティ８の外周（側壁）８ａは、ピストン５の軸中心側にて、第１キャビティ７の中心Ａが第２キャビティ８のやや内側に位置するように形成されている。第２キャビティ８の底面８ｂは、燃料噴射弁１４に対向して形成され、燃料噴射弁１４の軸心と垂直に形成されている。第２キャビティ８の中心Ｂは、燃料噴射弁１４の軸心の延長線近傍にある。
【００１０】
なお、この内燃機関１は、エンジンコントロールユニット（図示せず）からの信号に基づいて、燃料噴射弁１４の燃料噴射時期（燃料噴射量）や点火プラグ１５の点火時期などの制御が行われる。
また、本内燃機関１では、燃焼形態として主に、圧縮行程中に燃料噴射を行うことで希薄な空燃比で運転を実現し燃費を向上させる成層運転モードと、吸気行程中に燃料噴射を行い理論空燃比で運転する均質運転モードとが設けられている。これらの運転モードは、運転状態（回転数、負荷）から予め定めておいた運転領域マップ等を参照して、現在の運転状態に応じて適切に選択される。
【００１１】
以下、成層運転モードについて説明する。
吸気ポート１０の上流の吸気通路１６には、スワールコントロールバルブ１７が配設されている。スワールコントロールバルブ１７は、１気筒に２つの吸気バルブ１２を有し且つ吸気バルブ１２毎に独立した吸気ポート１０を有する場合、一方の吸気ポート１０を開閉可能となっている。このバルブ１７により、筒内（燃焼室２内）にスワール流動を発生・強化させる。これがスワール流動を強化する手段となる。なお、スワール流動強化手段は、各気筒に２つの吸気バルブ１２を有する場合、各吸気バルブの開時期をずらすことで燃焼室２内のスワール流動を強化するようにしてもよい。また、吸気ポート１０をヘリカルポートにすることで燃焼室２内のスワール流動を強化するようにしてもよい。
【００１２】
燃焼室２内にスワール流動を発生させると、図２に示すように、ピストン５の第１キャビティ７内を旋回する第１スワール流動Ｓ１と、第２キャビティ８内を旋回する第２スワール流動Ｓ２とがそれぞれ形成される。
スワール流動場では、旋回中心付近の圧力が低くなり、外周側ほど圧力が高くなる。このため、２つのスワール流動を上下に重ね、その旋回中心をずらすと、部分的に上昇流や下降流が発生する。本実施形態では、第１スワール流動Ｓ１の旋回中心（第１キャビティ７の中心Ａ）付近に第２スワール流動Ｓ２の外周部（第２キャビティ８の側壁８ａ）を配置しているので、第１キャビティ７の中心Ａ付近に上昇流Ｕが生じる。
【００１３】
予め定められた成層燃焼運転領域で運転する際は、スワールコントロールバルブ１７により第１スワール流動Ｓ１及び第２スワール流動Ｓ２を強化し、圧縮行程の後半に燃料噴射弁１４から第２キャビティ８へ向けて燃料を噴射する。第２キャビティ８に到達した燃料は第２スワール流動Ｓ２により良好に空気と混合される。この混合気を上昇流Ｕに乗せて上昇させることにより、点火プラグ１５の点火位置に確実に混合気を到達させることができる。
【００１４】
そして、点火プラグ１５は、輸送された燃料（混合気）に着火することで燃焼を行う。燃焼後の排気は、排気バルブ１３を介して燃焼室２から排気ポート１１へ排出される。
本実施形態によれば、燃焼室２上部から直接燃料を噴射する燃料噴射弁１４と、燃焼室２上部の略中心に配設される点火プラグ１５と、筒内のスワール流動Ｓ１，Ｓ２を強化する手段（例えば、スワールコントロールバルブ１７）とを具備し、ピストン冠面５ａに円筒形状の第１キャビティ７を持ち、この第１キャビティ７内に第２キャビティ８を具備すると共に、第２キャビティ８の中心Ｂを、第１キャビティ７の中心Ａとずらすよう前記第１キャビティ７及び前記第２キャビティ８を形成する。このため、第１キャビティ７内と第２キャビティ８内とにそれぞれ生成されるスワール流動Ｓ１，Ｓ２の中心位置がずれ、この効果によって上昇流Ｕが生まれるとともに、燃料噴射弁１４から噴射された燃料を点火プラグ１５に安定供給することが可能となる。
【００１５】
また本実施形態によれば、ピストン５の軸中心側にて第２キャビティ８の外周（壁面８ａ）が第１キャビティ７の略中心Ａに位置するように形成する。このため、第２キャビティ８内のスワール流動Ｓ２が非常に強い場のピストン５からシリンダヘッド３方向に第１キャビティ７内のスワール流動Ｓ１が非常に弱い場が存在し得る。この効果により、第２キャビティ８から第１キャビティ７に向けた強い上昇流Ｕが生成され、供給燃料を点火プラグに安定供給することが可能となる。
【００１６】
また本実施形態によれば、第１キャビティ７の中心Ａは、シリンダ軸と平行で且つ点火プラグ１５の点火位置の下方にある。このため、上昇流Ｕによって輸送された燃料に安定に着火することが可能となる。
また本実施形態によれば、第２キャビティ８は、燃料噴射弁１４の軸心の延長線上にある。このため、燃料を第２キャビティ８内に安定して供給することが可能となり、生成された上昇流Ｕによって供給燃料を点火プラグ１５へ輸送することが可能となる。この効果によって、輸送された燃料に安定に着火することが可能となる。
【００１７】
また本実施形態によれば、第２キャビティ８の中心Ｂは、燃料噴射弁１４の軸心の延長線上にある。このため、更に安定した状態で、第２キャビティ８内に燃料を供給することができる。
また本実施形態によれば、燃料噴射弁１４を、燃焼室２上部の略中央に配設する。このため、強い成層度を保ちながらキャビティ７，８内に燃料を配することが可能となる。この効果によって、安定燃焼が得られるばかりではなく、排気性能の良い燃焼が可能となる。
【００１８】
また本実施形態によれば、予め定められた運転領域（回転数及び負荷に基づく運転領域）において、圧縮行程時に燃料を噴射する成層燃焼での運転を行い、この運転時にスワール流動強化手段（例えばスワールコントロールバルブ１７）がスワール流動Ｓ１，Ｓ２を強化する。このため、成層度を保ちながら、かつ均一な燃料をキャビティ７，８内に生成することが可能となるばかりではなく、第２キャビティ８から第１キャビティ７に向かう上昇流Ｕを強くすることが可能となる。この効果によって、安定燃焼が得られるばかりではなく、排気性能の良い燃焼が可能となる。
【００１９】
また本実施形態によれば、予め定められた成層燃焼運転領域において、燃料噴射弁１４が第２キャビティ８内に燃料を噴射し、スワール流動強化手段１７がスワール流動を強化する。このため、更に排気性能の良い安定した燃焼が可能となる。
また本実施形態によれば、予め定められた成層燃焼運転領域において、燃料噴射弁１４は、複数回の燃料噴射を１行程中に行い、最後に噴射される燃料を第２キャビティ８内に噴射し、スワール流動強化手段１７がスワール流動Ｓ１，Ｓ２を強化する。このため、総供給燃料が多くなる条件においても第２キャビティ８からの上昇流Ｕによって安定して点火プラグ１５へ燃料を供給することが可能となる。この効果によって、安定燃焼が得られるばかりではなく、排気性能の良い燃焼が可能となる。
【００２０】
次に、第２の実施形態について図４を用いて説明する。
図４は、第２キャビティ８に対する燃料噴射弁１４の位置関係を示す図であり、（イ）は断面図、（ロ）は平面図である。
（イ）に示すように、燃料噴射弁１４は、この軸心がシリンダ軸線と所定角度αを持った状態で配設されている。（ロ）に示すように、平面視で燃料噴射弁１４から噴射された燃料噴霧の中心線上に、第２キャビティ８の中心Ｂがある。このため、燃料噴射弁１４からの燃料は、安定して第２キャビティ８に向けて噴射される。
【００２１】
なお前述と同じく、燃料噴射弁１４からの燃料は圧縮行程中に噴射され、第１キャビティ７と第２キャビティ８とにそれぞれ形成されたスワール流動Ｓ１，Ｓ２により、燃料を点火プラグ１５に輸送する。
次に、第３の実施形態について図５を用いて説明する。
図５は、燃料噴射弁１４からの燃料を複数回に分けて噴射した状態を示す図である。
【００２２】
第２キャビティ８の容積は、第１キャビティ７の容積と比較し、小さいものとなっている。よって、成層燃焼領域の要求負荷に応じて、燃料噴射量が多くなる高負荷側の条件では複数回に分けて燃料を供給することが望ましい。
本実施形態では、一回目の燃料を第１キャビティ７に向け噴射し、二回目の燃料を第２キャビティ８に噴射したものである。前述のスワール流動Ｓ１，Ｓ２の効果により、第２キャビティ８に噴射された燃料が点火プラグ１５に輸送される。
【００２３】
次に、第４の実施形態について図６を用いて説明する。
図６は、スパイラル角を配した多噴孔式の燃料噴射弁１８を用いて燃料噴射を行った状態を示す図であり、（イ）は断面図、（ロ）は平面図である。
この燃料噴射弁１８を用いると、噴射弁１８にスパイラル角が付加されているため、第２キャビティ８において、より強いスワール流動Ｓ２が生成される。これにより点火プラグ１５の点火位置に安定して燃料を輸送する。
【００２４】
なお、燃料噴射弁１８は、４つ噴孔が形成された噴射弁であるが、噴孔数は幾つであっても同じ効果を得ることができる。
次に、第５の実施形態について図７を用いて説明する。
図７は、ノズル１９ａ内に形成されるスワール流動Ｓ３によって中空噴霧を実現する噴射弁１９を用いて燃料噴射を行った状態を示す図である。
【００２５】
ノズル１９ａ内のスワール流動Ｓ３をキャビティ７，８内のスワール流動Ｓ１，Ｓ２と同回転方向とすることにより、より強いスワール流動が生成される。これにより点火プラグ１５の点火位置に安定して燃料を輸送する。
図８は、第１の実施形態に対し２つのキャビティの配置を変更した第５の実施形態を示す図であり、この実施形態では、第１キャビティ７の中心Ａがシリンダ軸と平行で且つ点火プラグ１５の点火位置を通る直線上に位置し、第２キャビティ８の中心Ｂが燃料噴射弁１４の軸心の延長線上に位置し、第２キャビティ８の側壁８ａの真上に第１キャビティ７の中心Ａが位置している。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】第１の実施形態に係る内燃機関の構成を示す断面図
【図２】燃焼室内にスワール流動を発生させた状態を示す図
【図３】混合気が点火プラグに輸送される状態を示す図
【図４】第２キャビティに対する燃料噴射弁の位置関係を示す図
【図５】燃料を複数回に分けて噴射した状態を示す図
【図６】スパイラル角を配した多噴孔式の燃料噴射弁を用いて燃料噴射を行った状態を示す図
【図７】ノズル内に形成されるスワール流動によって中空噴霧を実現する噴射弁を用いて燃料噴射を行った状態を示す図
【図８】第５の実施形態に係る内燃機関の構成を示す断面図
【符号の説明】
【００２７】
１  内燃機関
２  燃焼室
３  シリンダヘッド
４  シリンダブロック
５  ピストン
６  キャビティ
７  第１キャビティ
８  第２キャビティ
１０  吸気ポート
１１  排気ポート
１２  吸気バルブ
１３  排気バルブ
１４，１８，１９  燃料噴射弁
１５  点火プラグ
【図１】
2005171814.tif 000003
【図２】
2005171814.tif 000004
【図３】
2005171814.tif 000005
【図４】
2005171814.tif 000006
【図５】
2005171814.tif 000007
【図６】
2005171814.tif 000008
【図７】
2005171814.tif 000009
【図８】
2005171814.tif 000010