(57)【要約】    【課題】  筒内直接噴射式内燃機関の燃焼室内に、適切な成層混合気を形成して良好な成層燃焼が行われるようにする。    【解決手段】  燃焼室１上部に点火プラグ１２と燃料噴射弁１１を備え、ピストン４冠面の略中心付近に略円柱状の外側キャビティ４１を燃料噴霧軸に対して軸対象に形成し、該外側キャビティ４１に内包された位置に、もう１つの内側キャビティ４２を、該内側キャビティ４２への燃料衝突位置が、点火プラグ１２と燃料噴射弁１１が並ぶ方向に対して、燃料噴射弁１１側に偏って衝突するように配置した。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室上部に点火プラグと燃料噴射弁を備え、ピストン冠面の略中心付近に略円柱状の外側キャビティと、該外側キャビティに内包された位置にもう１つの内側キャビティを形成すると共に、前記外側キャビティは、燃料噴霧軸に対して軸対象に形成し、前記内側キャビティは、該内側キャビティへの燃料衝突位置が、点火プラグと燃料噴射弁が並ぶ方向に対して、燃料噴射弁側に偏って衝突するように配置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】
前記内側キャビティの外周部の略上部で、かつ燃料噴射弁とは相対する側に点火プラグのスパークギャップ部を配置し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３】
燃料噴射弁から噴射される燃料の指向方向が、シリンダ中心軸に対して略平行であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項４】
所定の機関負荷より低負荷時には、圧縮行程に一回のみ噴射し、前記所定の負荷以上では圧縮行程に2回の分割噴射を行うことを特徴とする請求項１〜請求項３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５】
圧縮行程に分割して燃料を噴射する際に、一回目の燃料噴射は噴射した燃料が外側キャビティに入るように噴射時期を設定し、2回目の燃料噴射では燃料が内側キャビティに入るように噴射時期を設定することを特徴とする請求項１〜請求項４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６】
機関負荷が所定値以下で燃料を圧縮行程に1回のみ噴射する場合、噴射した燃料が内側キャビティに入るように燃料噴射時期を設定することを特徴とする請求項第１項および第6項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、燃焼室内に直接燃料を噴射する内燃機関の燃焼室構造に関し、特に、成層混合気の形成を良好に行うための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の筒内直接噴射式内燃機関として、燃焼室上面のほぼ中央部のシリンダヘッドに燃料噴射弁が装着され、シリンダヘッドの排気側から燃焼室中央部に向かって点火プラグが設けられたセンターインジェクション型筒内噴射式内燃機関において、ピストン上面に排気側にオフセットし、排気側底面が深く形成された略断面円形の成層混合気形成用のキャビティを有する。これにより点火プラグ近傍側のキャビティで燃料を比較的長期に渡って保持することが可能となり、幅広い運転領域で成層燃焼可能な筒内噴射式内燃機関を提供できるとしている（特許文献１）。
【０００３】
一方、ピストン上面に中央の深皿部とその周囲の浅皿部からなる成層混合気形成用のキャビティを設け、機関負荷に応じて形成される混合気の大きさを制御することが考えられる。つまり、キャビティの大きさによってピストンを経由して形成される混合気塊の大きさを調整する。この場合、シリンダヘッド下面とピストン冠面上部の間隙によって生起されるスキッシュ流が大きい場合でも、スキッシュを発生させる間隙と点火プラグのスパークギャップ位置を遠ざけることが可能となり、スキッシュ流の影響を受けずに混合気形成が可能となる（特許文献２）。
【特許文献１】特開２０００−３４９２５号公報
【特許文献２】特開２０００−２６５８４１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、上記特許文献１に記載された発明においては、燃料噴射弁の改良により混合気の早期の均質化が可能となっても、ピストンキャビティが１つのキャビティによって形成されているために、機関負荷が変化した場合、特に、負荷が上昇した場合にキャビティ内およびキャビティ上空に形成される混合気が過濃となることが懸念される。一方、負荷が高い場合にキャビティおよびキャビティ上空に形成される混合気濃度がたとえば理論空燃比近傍の適切な濃度となるようキャビティの大きさを規定した場合、負荷の低い場合には、安定した着火が危ぶまれる。
【０００５】
より詳細に説明すると、ピストン冠面を経由して点火プラグ近傍に混合気を輸送し、キャビティ内に拡散する以前に着火を行う場合、燃料蒸気の混合が不十分で不均質となり、排気性能を悪化させることが考えられる。つまり、ＮＯｘやすすの発生を極力抑制するためには、均質な成層混合気塊を形成し、過濃な部位を少なくすることが望まれる。
この場合、燃料噴射弁の改良により混合気の早期の均質化が可能となっても、シリンダヘッド下面とピストン冠面によって圧縮行程後半に生起されるスキッシュ流によって、点火プラグギャップ近傍の混合気が影響され、過度の拡散による希薄化、または高速のガス流によって点火の吹き消え等によって安定燃焼が不可となることが考えられる。
【０００６】
また、上記特許文献２に記載された発明においては、キャビティの浅皿部はバルブリセス形状をしており、上記バルブリセス形状では、噴射された燃料噴霧がリセスとリセスの間からこぼれ、未燃ＨＣの増加が懸念される。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、キャビティ形状の工夫により、良好な性状の成層混合気を生成できるようにした筒内直接噴射式内燃機関の燃焼室構造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】
【０００７】
このため、本発明は、筒内直噴式内燃機関の燃焼室上部に点火プラグと燃料噴射弁を備え、ピストン冠面の略中心付近に略円柱状の外側キャビティと、該外側キャビティに内包された位置にもう１つの内側キャビティを形成すると共に、前記外側キャビティは、燃料噴霧軸に対して軸対象に形成し、前記内側キャビティは、該内側キャビティへの燃料衝突位置が、点火プラグと燃料噴射弁の配置方向に対して、燃料噴射弁側に偏って衝突するように配置した構成とした。
【発明の効果】
【０００８】
一般的に、均質な混合気の場合、当量比と燃焼性能の関係は図１に示すようになる。つまり、当量比が１付近において燃費、排気性能が最もよくなる。成層燃焼時の混合気も同様であり、混合気分布に大きな分布・バラツキがあると、燃焼性能が悪化する。
一方、当量比が約１の均質な成層混合気を形成しようとすると、噴射した燃料が充分な時間を経て混合する必要がある。噴射された燃料の混合過程に点火を行おうとする場合、燃料噴射弁の特性に依存にした不均質な混合気塊に着火することになり、燃費、排気エミッション等の性能悪化を招くことが考えられる。
【０００９】
したがって、良好な成層燃焼を行おうとした場合、均質な混合気を形成することが望ましく、この場合混合気塊の大きさを変化させることが最良となるが、混合気塊の大きさはキャビティを経由して混合気形成が行われる場合、キャビティ径に依存する。そのため、上記特許文献１に示されたような１つのキャビティ径で成層混合気を形成する場合を考えると、横軸の当量比を負荷と考えてよいこととなる。つまり、ある決まったキャビティ径では、最適な燃焼性能すなわち最良の燃費が得られる機関負荷がある一定の領域に限定される。すなわち、図２に示すように、キャビティ径ごとに最適な機関負荷領域が異なる。
【００１０】
キャビティおよびその上空に均質な混合気が形成されるとすると、キャビティ径とボア径の比率（キャビティ径／ボア径）と、最良の燃費が得られる機関負荷とは図３に示すような関係となり、成層燃焼性能を向上するために、均質な混合気分布を形成した場合、１つのキャビティ径では幅広い負荷範囲の燃焼性能を向上するのが難しい。
そこで、上記のように構成された本発明によれば、外側キャビティが燃料噴霧軸と軸対象に形成されているので、外側キャビティに衝突した噴霧は概ね等方的に外側キャビティから巻き上がり、内側キャビティ上空に均質な混合気分布を形成しやすい。また、噴射時期が変わった場合でも外側キャビティ外へ燃料がこぼれるのを抑制できる。
【００１１】
一方、内側キャビティに燃料噴霧が衝突するように燃料噴射時期を設定した場合、内側キャビティの一側に偏って衝突した燃料は、キャビティ底面を経由して、気化、混合しつつ、燃焼室上部へ巻き上がる。これにより、機関負荷が低い場合、コンパクトな混合気塊を形成可能となり、アイドリングなどの噴射量が少ない運転条件においても確実な点火が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図４は、本発明にかかる筒内直接噴射式内燃機関の燃焼室構造を示す。
シリンダヘッド２と、シリンダブロック３と、ピストン４とによって燃焼室１が形成され、吸気弁７を介して吸気ポート５と、排気弁８を介して排気ポート６とそれぞれ連通している。吸気弁７と排気弁８は、それぞれ吸気弁用カム９と、排気弁用カム１０とによって開閉駆動される。燃焼室１の上面（シリンダヘッド）の略中央付近に燃料噴射弁１１と点火プラグ１２が近接して配置され、スパークギャップ１２ａが燃焼室１中央に向けて設置され、コントロールユニット１３からの信号に基づいて、燃料噴射および点火が行われる。
【００１３】
ピストン４の冠面には外側キャビティ４１と、該外側キャビティ４１に内包された位置にもう１つの内側キャビティ４２からなる二重キャビティが形成されている。
なお、図４では、燃料噴射弁１１と点火プラグ１２が、機関の前後方向（吸気側と排気側が並ぶ方向と直交する方向）に併設されたものを図示してある。ただし、本発明は、燃料噴射弁１１と点火プラグ１２が燃焼室１上部に設けられたものであればよく、その他の配置（例えば吸気側と排気側が並ぶ方向に併設）でも同様の効果を有する。
【００１４】
燃料噴射弁１１、点火プラグ１２はシリンダ中心軸に対してやや角度を持って取り付けられている（これは、吸気弁７および排気弁８の径を小さくすることなく、燃焼室１上部に両者を取り付けるための一手段であり、限定されるものではない。）
燃料噴霧はシリンダ中心軸と概ね平行に噴射される。つまり、燃料噴射弁軸に対しては傾いた方向に噴射される。
【００１５】
ここで、外側キャビティ４１は、燃料噴霧中心軸に対して軸対象に設置される。内側キャビティ４２は、前記燃料噴霧が内側キャビティ４２の、燃料噴射弁１１と点火プラグ１２が並ぶ方向の燃料噴射弁１１側底面に偏って衝突するように外側キャビティ４１とは偏心して設けられている。
次に、運転条件毎の燃料噴射方法の概略を述べる。
【００１６】
機関負荷が所定の負荷よりも低い場合、1回のみの噴射を行い、負荷の上昇とともに燃料噴射開始時期を進角させる。その際、燃料噴霧は内側キャビティ４２に受け止められるように燃料噴射時期が設定される。機関負荷の増大とともに噴射期間が伸びることで、燃料噴霧が内側キャビティ４２で受け止められないような噴射期間となる前に、2回の分割噴射を開始する。
【００１７】
2回の分割噴射を行う場合、2回目の燃料噴射量は1回のみ噴射の場合に対して、燃料噴射開始時期を遅角するとともに、燃料噴射量を減じることで、1回のみ燃料噴射する場合と分割噴射する場合の2回目噴射の噴射終了時期は概ね同じ時期となるように設定する。
分割噴射時は機関負荷の増大に対する燃料噴射量の増加は、1回目の噴射量を増やすことによって対応し、その際、燃料噴射開始時期を進角し、燃料噴射終了時期は概ね同じとする。
【００１８】
図５は、外側キャビティ４１と内側キャビティ４２の燃料噴霧の衝突位置を示し、図６は、成層低負荷運転条件における、1回のみ燃料噴射した場合の燃料噴霧の挙動を示す。
成層低負荷では、燃料噴射時期は燃料噴霧が内側キャビティ４２に受け止められるよう設定され、燃料噴霧は内側キャビティ４２底面に衝突する。その後噴霧は、噴霧の貫徹力によって内側キャビティ４２底面に沿って進行し、燃焼室１上空へと向かう。このとき、噴霧の衝突する内側キャビティ４２底面は、燃料噴射弁１１と点火プラグ１２が並ぶ方向の、燃料噴射弁１１側に配置されているため、燃料は内側キャビティ４２の側壁および底面にて、点火プラグ１２方向へと進む。内側キャビティ４２内でピストン４から受熱し、気化しながら、燃焼室１上方へ巻き上がり、点火プラグ１２近傍の内側キャビティ４２上空にコンパクトな混合気が生成される。また、前記内側キャビティ４２の外周部の略上部で、かつ燃料噴射弁１１とは相対する側に点火プラグ１２のスパークギャップ部を配置することにより、より燃料噴射量の少ない場合でもより確実な着火が行える。
【００１９】
また、燃料噴射量が少ない低負荷時に、分割噴射を行うと必要以上に希薄な混合気が形成され、失火を招いたり、着火が行われても未燃ＨＣとして排出される燃料が増えたりすることが懸念されるが、本発明では、上記のように所定負荷以下では一回のみの噴射を行うため、確実に着火可能な混合気が形成され、低負荷時の燃料不安定や排気性能悪化を防ぐことができる。
【００２０】
一方、成層高負荷運転条件における燃料噴霧の挙動を、図７に示す。
成層高負荷では、2回の噴射を行う。まず、圧縮行程の中期付近において、外側キャビティ４１を指向して1回目の燃料噴射を行う。噴霧は外側キャビティ４１の底面に衝突し、噴霧の貫徹力によって外側キャビティ４１底面を経由して燃焼室上空へ向かい、周辺空気を巻き込みつつ、均質化される。ここで、1回目の燃料噴射により形成される混合気塊の大きさは外側キャビティ４１の大きさに依存し、比較的大きな塊となり、燃焼室１中央部分は希薄となる。
【００２１】
1回目の燃料噴射後、圧縮行程の後半、上死点に近い時期に、2回目の燃料噴射を内側キャビティ４２に向けて行う。2回目の燃料噴射時期では、1回目と同じ燃料噴射弁１１からの噴霧であっても、噴射角度が筒内圧によって若干狭くなる傾向となり、内側キャビティ４２に確実に受け止められるような燃料噴射時期に設定することにより、内側キャビティ４２のみを使った混合気形成が可能となる。
【００２２】
成層低負荷時の1回のみ噴射の場合と同様な混合気形成過程を経て、2回目の燃料噴射により小さな塊の均質混合気が形成され、1回目の燃料噴射によって形成された略ドーナツ状に近い混合気塊と2回目の燃料噴射によって形成されたコンパクトな混合気塊によって点火プラグ１２近傍に混合気が輸送され、確実な着火がなされるとともに、均質な混合気塊によって排気、燃費性能を損なうことなく良好な成層燃焼を達成することができる。
【００２３】
なお、内側キャビティ形状は、確実に2度目（または低負荷1回噴射）の燃料を点火栓方向へ輸送可能なように、図８に示す内側キャビティ４３のような、燃料噴射弁１１と点火プラグ１２が並ぶ方向に深さが異なるように構成してもよい。
また、全負荷等の高出力運転時には、吸気行程中に燃料噴射を行い、十分な混合時間をとることで、筒内混合気分布を均質化する、いわゆる均質燃焼を行う。
【００２４】
さらに、上記実施形態では、燃料噴射弁１１から噴射される燃料の指向方向を、シリンダ中心軸に対して略平行に設定したため、ピストン４の上下動に対して、燃料噴霧とピストン４の相対角度が同様に設定され、燃料噴射時期の変化に対する混合気形成の差異を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】当量比と燃焼性能の関係を示す図。
【図２】キャビティ径毎の機関負荷と最適燃費の関係を示す図。
【図３】キャビティ径のシリンダボア径に対する比率と、均質混合気形成状態での最適機関負荷との関係を示す図。
【図４】本発明の実施形態にかかる筒内直接噴射式内燃機関の燃焼室構造を示す断面図。
【図５】同上実施形態における外側キャビティと内側キャビティの燃料噴霧の衝突位置を示す図。
【図６】同上実施形態における成層低負荷運転条件における、1回のみ燃料噴射した場合の燃料噴霧の挙動を示す図。
【図７】成層高負荷運転条件における燃料噴霧の挙動を示す図。
【図８】本発明の第２の実施形態における燃焼室構造を示す断面図。
【符号の説明】
【００２６】
１  燃焼室
２  シリンダヘッド
３  シリンダブロック
４  ピストン
１１  燃料噴射弁
１２  点火プラグ
４１  外側キャビティ
４２  内側キャビティ
【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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