(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンの頂面に対して凹状に窪むキャビティと、このキャビティによって画成される燃焼室と、この燃焼室にガス燃料を噴射するインジェクタと、この噴射燃料に着火する点火プラグとを備える筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、
前記キャビティは、
前記点火プラグの下方に位置する平面状の底面と、
この底面から前記頂面に向かって円弧状に形成され、前記インジェクタに対面する第１壁面と、
前記底面と段差を持って接続し、前記段差部と前記インジェクタ側の頂面とを結ぶ斜面と、
前記第１壁面と対峙する前記段差部に円弧状に形成される第２壁面とを備え、
前記キャビティ内に噴射されたガス燃料は、その噴射開始時期が圧縮工程の所定時期の場合には前記底面から前記第１壁面に沿って前記点火プラグの近傍に導かれ、その噴射開始時期が前記所定時期より早い圧縮工程前期の場合には前記第１壁面から前記底面、前記底面から前記第２壁面に沿って前記点火プラグの近傍に導かれることを特徴とする筒内噴射式火花点火エンジン。
【請求項２】
前記所定時期は、７０ｄｅｇＢＴＤＣから３０ｄｅｇＢＴＤＣの間に設定することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火エンジン。
【請求項３】
前記第１、第２壁面は、その端面の接線方向が前記点火プラグに向いて形成されることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒内噴射式火花点火エンジンの改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の筒内噴射式火花点火エンジンとして、例えば特許文献１に開示されているように、ピストンの頂面に凹状に窪むキャビティと、このキャビティによって形成される燃焼室と、この燃焼室に燃料を噴射するインジェクタと、この噴射燃料に着火する点火プラグとを備えるものがある。この場合、成層燃焼が行われる運転条件にて、インジェクタ６から噴射されたガス燃料はキャビティ１０に案内されて点火プラグ５の近傍に導かれるようになっている。
【特許文献１】特開２００３−２７９４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような従来の筒内噴射式火花点火エンジンにあっては、ガス燃料を使用する場合、ガス燃料は液体燃料に比べて燃焼室におけるインジェクタから噴射される燃料の貫徹力が弱いため、キャビティの内壁面が平滑に形成されていると、吸気行程にてシリンダに生起されるスワール等のガス流動が強いと、燃料を点火プラグの近傍に導くことが難しく、成層燃焼の安定性を確保できないという問題点があった。
【０００４】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ガス燃料を使用しても成層燃焼の安定性を確保できる筒内噴射式火花点火エンジン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】
【０００５】
本発明は、ピストンの頂面に対して凹状に窪むキャビティと、このキャビティによって画成される燃焼室と、この燃焼室にガス燃料を噴射するインジェクタと、この噴射燃料に着火する点火プラグとを備える筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、前記キャビティは、前記点火プラグの下方に位置する平面状の底面と、この底面から前記頂面に向かって円弧状に形成され、前記インジェクタに対面する第１壁面と、前記底面と段差を持って接続し、前記段差部と前記インジェクタ側の頂面とを結ぶ斜面と、前記第１壁面と対峙する前記段差部に円弧状に形成される第２壁面とを備え、前記キャビティ内に噴射されたガス燃料は、その噴射開始時期が圧縮工程の所定時期の場合には前記底面から前記第１壁面に沿って前記点火プラグの近傍に導かれ、その噴射開始時期が前記所定時期より早い圧縮工程前期の場合には前記第１壁面から前記底面、前記底面から前記第２壁面に沿って前記点火プラグの近傍に導かれることを特徴とする筒内噴射式火花点火エンジンである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明において、インジェクタから噴射されたガス燃料は、燃料の噴射開始時期に応じて第１壁面または第２壁面のいずれかに沿って点火プラグ近傍に移動するため、燃料量が少なくてもスワール等のガス流動によって燃焼室に拡散することが抑えられ、点火プラグの近傍には可燃範囲の濃い混合気層が形成される。このため貫徹力の小さいガス燃料を使用しても、安定した成層燃焼が行われる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【０００８】
図１、図２において、１はピストン、２はシリンダヘッド、３はシリンダブロック、９はシリンダ、４はこれらにより画成された燃焼室、５は点火プラグ、６は燃料噴射用のインジェクタ、７は吸気バルブ、８は吸気ポートを示す。
【０００９】
インジェクタ６には圧縮天然ガス（ＣＮＧ）、液化石油ガス（ＬＰＧ）等のガス燃料が供給される。インジェクタ６は図示しないコントローラからエンジン回転に同期して出力される駆動パルス信号により開弁駆動され、燃焼室４にガス燃料を噴射するようになっている。
【００１０】
シリンダヘッド２の燃焼室壁面２ａとピストン３の頂面１ａは、シリンダ９の中心線に対して直交する平面状にそれぞれ形成され、互いに略平行に対峙している。
【００１１】
ピストン頂面１ａに凹状に窪むキャビティ１０が形成される。キャビティ１０は図２の平面図上にてピストン頂面１ａに対して長円形に開口した開口部１０ａと、開口部１０ａの中心に対してピストン１の中心側にオフセットして配置され、同じく長円形の底部１０ｃと、図３の断面図にて外周寄り開口部１０ａから底部１０ｃにかけて延びる緩斜面１０ｄと、底部１０ｃから中央寄りの開口部１０ａにかけて延びる円弧状の急斜面（第１壁面）１０ｅ等を有する。図２の平面図に示すように、点火プラグ５は、燃焼室中心に配置され、この点火プラグ５の直下に底部１０ｃが設けられる。そして、インジェクタ６と点火プラグ５とを結ぶ線上にキャビティ１０を構成する緩斜面１０ｄと底部１０ｃが配置される。
【００１２】
これにより、所定の運転条件にて、インジェクタ６から噴射されたガス燃料はキャビティ１０の緩斜面１０ｄから底部１０ｃに流れ込み、さらに急斜面１０ｅに案内されて点火プラグ５の近傍に導かれ、成層燃焼が行われるようになっている。
【００１３】
しかし、ガス燃料は液体燃料に比べて燃焼室４におけるインジェクタ６から噴射される燃料の貫徹力が弱いため、キャビティ１０を構成する壁面が平滑に形成されていると、吸気行程にてシリンダ９に生起されるスワール等のガス流動が強く、少量のガス燃料を噴射した場合には燃料を点火プラグ５の近傍に導くことが難しい。したがって成層燃料の実施可能時期は燃料の噴射量により制限されるという課題がある。
【００１４】
本発明はこれに対処して、キャビティ１０の底部１０ｃと緩斜面１０ｄとの間に段差１０ｆを設け、燃料の噴射量が少ない場合には、インジェクタ６により近い、この段部（第２壁面）１０ｆに沿ってガス燃料を移動させ、インジェクタ６から噴射されたガス燃料を確実に点火プラグ５の近傍に導く構成とする。
【００１５】
図３に示すように、キャビティ１０は、頂面１０ａから低い位置に形成される底部１０ｃを含む凹状のキャビティである。インジェクタ６が配置される側の底面１０ｃと頂面１０ａとを結ぶ緩斜面１０ｄを備え、一方、底面１０ｃを挟んで緩斜面１０ｄに対面する急斜面１０ｅを備える。急斜面１０ｅは、底面１０ｃから頂面１０ａに立ち上がる円弧状に形成され、急斜面１０ｅが頂面１０ａに繋がる端部の接線方向は、後述する所定のピストン位置で点火プラグ５に向くように形成される。ここまでの構成は前述の図２で説明した構成と同様である。
【００１６】
さらに本発明では、緩斜面１０ｄと底面１０ｃとの間に段部１０ｆを設け、この段部１０ｆは円弧状に形成される。段部１０ｆの端面は、その接線方向が点火プラグ５の方向に向くように形成され、底面１０ｃから段部１０ｆに流れてきたガス燃料は、段部１０ｆの端面に沿って点火プラグ５に向かって移動し、点火プラグ近傍に可燃範囲の濃い混合気層が形成される。
【００１７】
図４は、キャビティ１０への燃料噴射タイミング及び燃料の移動状態を説明する図である。これは、比較的少ない燃料量、つまりスワール等のガス流動の影響を受けやすい、ガス流動により噴射された燃料の噴射方向が変動する量のガス燃料を噴射する場合で、言い換えると燃料噴射開始時期として７０〜３０ｄｅｇＢＴＤＣの場合である。
【００１８】
工程（ａ）はキャビティ１０の緩斜面１０ｄに向けて、所定のガス燃料を噴射する工程である。工程（ｂ）で、噴射されたガス燃料は、緩斜面１０ｄ〜底面１０ｃ〜急斜面１０ｅに沿って移動し、工程（ｃ）に示すように、点火プラグ５方向に向いた急斜面１０ｅの端面から点火プラグ５方向に移動する。
【００１９】
ガス流動の影響を受ける少量のガス燃料を噴射する場合には、圧縮工程後期（例えば、７０〜３０ｄｅｇＢＴＤＣ）にインジェクタ６から近い緩斜面１０ｄに向けてガス燃料を噴射し、緩斜面１０ｄ〜底面１０ｃ〜急斜面１０ｅに沿ってガス燃料が移動し、点火プラグ５近傍に達する。このようにしてガス流動の影響を抑制し、比較的少ない所定量のガス燃料であっても点火プラグ５近傍に導き、燃料量が少ない場合でもガス燃料を点火プラグ５近傍に供給して成層燃焼を行うことができる。
【００２０】
図５は、キャビティ１０への燃料噴射タイミング及び燃料の移動状態を説明する図である。これは、比較的多量のガス燃料、つまりガス流動の影響を受け難い量のガス燃料を噴射する場合で、言い換えると燃料噴射開始時期として、例えば７０ｄｅｇＢＴＤＣ以前に燃料を噴射する場合である。
【００２１】
工程（ａ）ではキャビティ１０の急斜面１０ｅに向けて、所定量より多いガス燃料を噴射する工程である。噴射する燃料量が多いため、ガス燃料を噴射する時間が長くなり、燃料噴射量が少ない場合に比して早めに噴射を開始する。工程（ｂ）では、ピストンが上昇するとともに、噴射されたガス燃料は、ガス流動の影響を受けずにキャビティ１０の急斜面１０ｅに達し、急斜面１０ｅから下方の底面１０ｃに向かって移動し、工程（ｃ）に示すように、燃料は圧縮工程後期で、点火プラグ５方向に向いた段部１０ｆの端面から点火プラグ５方向に移動する。
【００２２】
燃料噴射量が多い場合には、少ない場合に比して圧縮工程前期から噴射を開始するため、インジェクタ６から遠い位置に設定したキャビティ１０の急斜面１０ｅに向けて燃料が噴射され、燃料はキャビティ１０の底面１０ｃから端部１０ｆに移動し、さらに端部１０ｆから点火プラグ５に向けて燃料が移動する。これにより、燃料噴射量が多い場合でも燃料を点火プラグ５近傍に確実に供給し、成層燃焼を行うことができる。
【００２３】
なお、インジェクタ６が燃料を噴射する方向は、燃料量に係わらず一定であり、また一定時間に噴射する燃料量も一定である。
【００２４】
以上のように構成されて、次に作用について説明する。
【００２５】
成層燃焼を行う運転領域にあっては、インジェクタ６からピストン１の圧縮行程中にガス燃料が噴射される。燃料噴射時にはピストン１が上昇し、インジェクタ６からピストン１のキャビティ１０の緩斜面１０ｄまたは急斜面１０ｅに向けて噴射されたガス燃料は、各キャビティ１０の形状により燃焼室４の中央部の点火プラグ５に向かう。
【００２６】
詳しく説明すると、燃料噴射量が多い場合には図５の（ｃ）に示すように、少ない場合に比して圧縮工程前期から噴射を開始するため、インジェクタ６から遠い位置に設定したキャビティ１０の急斜面１０ｅに向けて燃料が噴射され、燃料はキャビティ１０の急斜面１０ｅ〜底面１０ｃ〜端部１０ｆに移動し、さらに端部１０ｆから点火プラグ５に向けて燃料が移動する。これにより、燃料噴射量が多い場合に燃料を点火プラグ５近傍に確実に供給し、成層燃焼を行うことができる。
【００２７】
一方、少量のガス燃料を噴射する場合には図４の（ｃ）に示すように、圧縮工程後期（例えば、７０〜３０ｄｅｇＢＴＤＣ）にインジェクタ６から近い緩斜面１０ｄに向けてガス燃料を噴射し、緩斜面１０ｄ〜底面１０ｃ〜急斜面１０ｅに沿ってガス燃料が移動し、点火プラグ５近傍に達する。このようにしてガス流動の影響を抑制し、比較的少ない所定量のガス燃料であっても点火プラグ５近傍に導き、燃料量が少ない場合でもガス燃料を点火プラグ５近傍に供給して成層燃焼を行うことができる。
【００２８】
このようにして、インジェクタ６からキャビティ１０に向けて噴射されたガス燃料は、その噴射量に係わらず、速やかに点火プラグ５の近傍に移動し、点火時に点火プラグ５の近傍には可燃範囲の濃い混合気層が広い負荷範囲で形成される。
【００２９】
点火プラグ５の点火作用により可燃混合気層に着火されると、この部分を中心にして燃焼が周囲の希薄混合気層へと伝播する。このため希薄な混合気であっても、安定した成層燃焼が行われる。
【００３０】
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
広負荷範囲に渡り成層燃焼を達成することができるため、筒内噴射式ガスエンジンに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態を示すエンジンの断面図。
【図２】同じくピストンの平面図。
【図３】同じく図２のＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図４】キャビティへの燃料噴射タイミング及び燃料の移動状態を説明する図。
【図５】他のキャビティへの燃料噴射タイミング及び燃料の移動状態を説明する図。
【符号の説明】
【００３３】
１  ピストン
２  シリンダヘッド
４  燃焼室
５  点火プラグ
６  インジェクタ
９  シリンダ
１０  キャビティ
１０ｃ  底面
１０ｄ  緩斜面
１０ｅ  急斜面
１０ｆ  段部
【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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