(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を形成し、該内側キャビティ４２を、該内側キャビティを経由して混合気形成を行うときに、混合気が２次元的に旋回・混合するように形成し、前記外側キャビティ４１を、該外側キャビティ４１を経由して混合気形成を行うときに、混合気が燃料噴霧軸に対して軸対象な方向に旋回・混合するように形成した。【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、前記内側キャビティを、該内側キャビティを経由して混合気形成を行うときに、混合気が２次元的に旋回・混合するように形成し、前記外側キャビティを、該外側キャビティを経由して混合気形成を行うときに、混合気が燃料噴霧軸に対して軸対象な方向に旋回・混合するように形成したことを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関の燃焼室構造。
【請求項２】
前記内側キャビティの、燃料噴射弁と点火プラグとの並び方向への開口部の長さが、前記並び方向と垂直な方向への開口部の長さより長い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の燃焼室構造。
【請求項３】
前記内側キャビティの外周部の略上部に、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または請求項2に記載の筒内直接噴射式内燃機関の燃焼室構造。
【請求項４】
前記内側キャビティの開口形状を、略長方形とした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の燃焼室構造。
【請求項５】
前記内側キャビティの開口形状を、楕円状とした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の燃焼室構造。
【請求項６】
燃料噴射弁の噴射方向を、前記内側キャビティの中心より燃料噴射弁側に偏らせた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の燃焼室構造。
【請求項７】
内側キャビティの底面の深さを、燃料噴霧が衝突する側において低く設定した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の燃焼室構造。
【請求項８】
外側キャビティを、燃料噴霧軸と同心となるよう設定したことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関の燃焼室構造。
【請求項９】
所定の機関負荷より低負荷時には、圧縮行程に１回のみ噴射し、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８のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関の燃焼室構造。
【請求項１０】
圧縮行程に分割して燃料を噴射する際に、１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第１項および第5項記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項１１】
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の燃焼室構造。
【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、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内側キャビティを形成すると共に、前記内側キャビティを、該内側キャビティを経由して混合気形成を行うときに、混合気が２次元的に旋回・混合するように形成し、前記外側キャビティを、該外側キャビティを経由して混合気形成を行うときに、混合気が燃料噴霧軸に対して軸対象な方向に旋回・混合するように形成した構成とした。
【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、上記のように構成した本発明によれば、燃料噴射量が少ない低負荷時に、内側キャビティを経由して小さい混合気塊を形成する場合には、混合気が２次元的に1つの旋回方向に向けて旋回するため混合気が不必要に拡散することがないので、コンパクトな混合気分布を形成することができる。
【００１１】
一方、外側キャビティに燃料を噴射し混合気形成を行う場合には、混合気がキャビティ全周に向けて広がるため、等方的な混合気分布が形成しやすくなる。
つまり、低負荷時には、コンパクトな混合気分布を形成でき、高負荷時には、比較的均質な混合気を形成しやすくなり、負荷の変化に対する燃焼の悪化を確実に防ぐことができる。
【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。
図5に本発明にかかるピストン形状を示す。
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、シリンダヘッド２方向からの上面開口形状が長方形をなすように設定されており、前記燃料噴霧が内側キャビティ４２の、燃料噴射弁−点火プラグ並び方向の燃料噴射弁側底面に偏って衝突するように設けられている。
【００１６】
ここで、運転条件毎の燃料噴射方法の概略を述べる。
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６に、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挙動を示す。
燃料噴射時期は、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底面が点火プラグ１２へと燃料が指向するよう形成されているため、ピストン４冠面上を燃料噴霧はピストン４に沿って、2次元的に流れるとともに、点火プラグ１２方向へと進行し、その進行方向をピストン４によって上側へと変化させるとともに、燃焼室１上空をうずのように旋回しつつ、周囲の空気を巻き込みながら、点火プラグ１２近傍の内側キャビティ４２上空に成層混合気が生成される。1回のみの燃料噴射を内側キャビティ４２に向けて行うことにより、形成される混合気塊は燃焼室１中央よりやや排気側の点火プラグ１２近傍に比較的コンパクトに形成できる。
【００１９】
ここで、内側キャビティ４２の外周部の略上部に点火プラグ１２のスパークギャップ部を配置することにより、燃料噴射量の少ない場合にも、混合気がスパークギャップ部付近に確実に輸送されるため、確実な着火が行える。
また、内側キャビティ４２の開口形状を長方形状とすることで、燃料噴射弁１１から点火プラグ１２へと向かう方向以外の混合気の拡散が確実に抑制される。
【００２０】
また、燃料噴射弁１１の噴射方向を、内側キャビティ４２の中心から燃料噴射弁１１側に偏って設定することによって、燃料の運動方向は燃料噴射弁１１側の内側キャビティ４２底面から点火プラグ１２側の内側キャビティ４２方向へと向かうことになるため、アイドリング等の極少噴射量の場合でも確実な可燃混合気の輸送がなされる。
また、内側キャビティ４２の底面の深さが、燃料噴霧が衝突する側において、低く設定することにより、圧縮上死点付近での燃料噴射の場合でも、液膜がピストン４に付着することがない。
【００２１】
一方、成層高負荷運転条件における噴霧挙動は、図7に示すようになる。
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。成層低負荷時の1回のみ噴射の場合と同様、噴霧は外側キャビティ４１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１上空へ向かい、周辺空気を巻き込みつつ、均質混合気を形成する。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、かつ燃焼室１中央部分は希薄となる。
【００２２】
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。つまり、2回目の燃料噴射時期は、1回目と同様な噴射角度であっても、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されている。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。また、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成層燃焼を達成することができる。
【００２３】
ここで、外側キャビティ４１は燃料噴霧軸と同心となるよう設定することにより、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、燃料噴射時期が異なる場合、燃料噴射期間が長い場合でも、外側キャビティ４１外への燃料のこぼれが少なくできるため、未燃ＨＣの排出増大を抑制できる。また、外側キャビティ４１に衝突した噴霧は概ね等方的に外側キャビティ４１から巻き上がり、内側キャビティ４２上空に均質な混合気分布を形成しやすい。
【００２４】
また、低負荷時は１回のみの燃料噴射を行うようにし、かつ、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ようにしたため、機関負荷が低く、総燃料噴射量が少ない場合においても必要以上に稀薄化されることなく、点火栓近傍に均質な混合気塊を形成可能となり、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。
【００２５】
一方、高負荷時には、１回のみの噴射では燃料噴射期間が伸びるため、噴射された燃料が内側キャビティのみならず、外側キャビティにはみ出して受け止められるようになる。微量の燃料のみが外側キャビティに向かうと、外側キャビティを経由して形成された混合気が着火不能な希薄な混合気を形成し、未燃ＨＣとして排出される恐れがある。一方、内側キャビティを経由し、点火栓近傍に形成される混合気の濃度は一定量以上の燃料噴射量では過濃となる恐れがある。
【００２６】
そこで、高負荷時は、圧縮行程に2回の分割噴射を行うことで、分割された各噴射期間にそれぞれ外側キャビティ４１と内側キャビティ４２とに適量の燃料噴射を分配することができ、必要以上に稀薄化されたり過濃となったりすることなく良好な成層混合気を形成することができる。
特に、圧縮行程に分割して燃料を噴射する際に、１回目の燃料噴射は噴射した燃料が外側キャビティ４１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４２に入るように噴射時期を設定するようにしたため、内側キャビティ４２を経由した燃料は点火プラグ近傍に小さな混合気塊を形成し、確実な着火を可能にするとともに、外側キャビティ４２に噴射され、外側キャビティ４１を経由した燃料は比較的広い範囲に大きな混合気塊を形成する。１回目の燃料噴射を比較的早い噴射時期に設定することにより、混合気の均質化を図ることができる。
【００２７】
図８は、上記実施形態における内側キャビティ４２での混合気運動方向の示す。内側キャビティ４２内を、２つの小うずとなって対称的に旋回するパターンと、１つのうずとなって旋回するパターンとがある。
なお、図９に示すように、内側キャビティ４２の上面開口形状は楕円状でもよい。この場合、点火プラグ１２のスパークギャップが設けられている内側キャビティ４２の一側での燃料の巻き上がりが、楕円状の内側キャビティ４２によって集中しやすくなる。より詳細には、内側キャビティ４２の開口形状を楕円にすることで、燃料噴射弁１１−点火栓１２の並び方向に直交する方向の混合気の運動を抑制しつつ、点火プラグ１２下側の内側キャビティ４２で混合気を集める作用が働き、点火プラグ１２近傍により確実に濃い混合気を集めることができる。このため、アイドリング等の極小量噴射の場合でも混合気の拡散を防ぐことで確実な着火を行える。
【００２８】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【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形状を示す図。
【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】上記実施形態における内側キャビティでの混合気運動方向を示す図。
【図９】本発明の第２の実施形態における燃焼室構造を示す平面図。
【符号の説明】
【００３０】
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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【図９】
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