(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第１キャビティと、この第１キャビティによって画成される燃焼室と、この燃焼室内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、
前記第１キャビティは、その底面から前記ピストン頂面へ円弧状に立ち上がる急斜面を備え、前記急斜面のピストン頂面に繋がる端部の接線方向は、圧縮工程後期のピストン位置で前記点火プラグに向くように形成され、前記インジェクタにより圧縮工程前期から噴射開始される前記ガス燃料は、前記第１キャビティの底面から急斜面に沿って前記点火プラグの近傍に導かれる一方、
前記第１キャビティの急斜面と反対側の前記インジェクタに近い内壁面の一部に第２キャビティが凹状に形成され、前記第２キャビティは、その底面から前記第１キャビティの内壁面へ円弧状に立ち上がる急斜面を備え、前記急斜面の第１キャビティの内壁面に繋がる接線方向は、圧縮工程後期のピストン位置で前記点火プラグに向くように形成され、前記インジェクタにより圧縮工程後期に噴射開始される前記ガス燃料は、前記第２キャビティの底面から急斜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火花点火エンジン。
【請求項２】
前記ガス燃料の噴射開始時期は、噴射されるガス燃料量に応じて設定され、噴射される燃料量が少ない場合に、前記第２キャビティに向けて燃料が噴射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から噴射された燃料はキャビティに案内されて点火プラグ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第１キャビティと、この第１キャビティによって画成される燃焼室と、この燃焼室内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、前記第１キャビティは、その底面から前記ピストン頂面へ円弧状に立ち上がる急斜面を備え、前記急斜面のピストン頂面に繋がる端部の接線方向は、圧縮工程後期のピストン位置で前記点火プラグに向くように形成され、前記インジェクタにより圧縮工程前期から噴射開始される前記ガス燃料は、前記第１キャビティの底面から急斜面に沿って前記点火プラグの近傍に導かれる一方、前記第１キャビティの急斜面と反対側の前記インジェクタに近い内壁面の一部に第２キャビティが凹状に形成され、前記第２キャビティは、その底面から前記第１キャビティの内壁面へ円弧状に立ち上がる急斜面を備え、前記急斜面の第１キャビティの内壁面に繋がる接線方向は、圧縮工程後期のピストン位置で前記点火プラグに向くように形成され、前記インジェクタにより圧縮工程後期に噴射開始される前記ガス燃料は、前記第２キャビティの底面から急斜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燃料は、燃料時期に応じて第１または第２キャビティのいずれかに沿って点火プラグ近傍に移動するため、燃料量が少ない噴射開始時期が遅いタイミングで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広い負荷領域で行える。
【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に凹状に窪む第１キャビティ１０が形成される。第１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とを結ぶ線上に第１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、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第１キャビティ１０の緩斜面１０ｄから底部１０ｃにスムースに流れ込み、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から噴射されるガス燃料の貫徹力が弱いため、第１キャビティ１０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９に生起されるスワール等のガス流動が強く、噴射燃料の量が少ない場合、燃料を点火プラグ５の近傍に導くことが難しい。
【００１４】
本発明はこれに対処して、第１キャビティ１０の底部１０ｃに繋がる緩斜面１０ｄに、燃料噴射量が少ない場合にインジェクタ６に近い位置にガス燃料を導くための第２キャビティ１２を形成し、それぞれのキャビティ１０、１２によってインジェクタ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に示すように第１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。ここまでの構成は図２に示したものと同様である。
【００１６】
第２キャビティ１２は、インジェクタ６側の緩斜面１０ｄに凹状に形成され、第１キャビティ１０の底部１０ｃよりインジェクタ６に近く配置される。第２キャビティ１２の断面形状は、第１キャビティ１０と類似した形状に形成される。ここで、第１キャビティ１０の緩斜面１０ｄと第２キャビティ１２の急斜面１２ｅとが繋がる端部の接線方向は点火プラグ５に向くように形成される。
【００１７】
図４は、第２キャビティ１２への燃料噴射開始時期及び燃料の移動状態を説明する図である。これは、比較的少ない所定量の燃料を噴射する燃料噴射開始時期が遅い場合である。なお、本発明では、燃料噴射開始時期は、噴射されるガス燃料量に応じて設定される。つまり、一定時間での燃料噴射量は一定として、燃料噴射量が多い場合には、インジェクタ６の開口時間を長くして対処し、燃料噴射量が少ない場合にはインジェクタ６の開口時間を短くする。したがって、燃料噴射量が多い場合には、噴射時期を早めて燃料噴射量を多くする。
【００１８】
工程（ａ）は圧縮工程後期の所定の時期にインジェクタ６に近い第２キャビティ内の底面１２ｃ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、噴射された燃料は、底面１２ｃ〜急斜面１２ｅ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１２ｅの端面から点火プラグ５方向に移動する。
【００１９】
このようにガス流動の影響を受ける量のガス燃料を噴射する場合には、圧縮工程の所定の遅い時期にインジェクタ６から近い第２キャビティ１２に向けてガス燃料を噴射することで、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近傍に導くことができる。これにより、燃料量が少ない場合でも燃料を点火プラグ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、第１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、所定量より多い、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燃料量のガス燃料を噴射する燃料噴射開始時期が所定の時期より早い場合である。工程（ａ）、（ｂ）は圧縮工程前期に第１キャビティ内の底面１０ｃ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、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（ｃ）で、ピストンが上昇するとともに、噴射されたガス燃料は、底面１０ｃ〜急斜面１０ｅに沿って移動し、工程（ｄ）に示すように、ピストンは圧縮工程後期で、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。
【００２１】
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第１キャビティ１０に向けてガス燃料が噴射され、第１キャビティ１０から点火プラグ５に向けてガス燃料が移動する。これにより、燃料噴射量が多い場合でもガス燃料を点火プラグ５近傍に確実に供給し、成層燃焼を行うことができる。
【００２２】
なお、インジェクタ６がガス燃料を噴射する方向は、燃料量に係わらず一定であり、また所定時間に噴射する燃料量も一定である。したがって、第１、第２キャビティ１０、１２の位置は、インジェクタ６の位置及び噴射方向とエンジンの負荷（燃料噴射量）に応じて設定される。
【００２３】
以上のように構成されて、次に作用について説明する。
【００２４】
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の第１キャビティ１０または第２キャビティ１２に向けて噴射されたガス燃料は、各キャビティ１０、１２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。
【００２５】
詳しく説明すると、燃料噴射量が多い場合には図５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第１キャビティ１０の底面１０ｃに向けて燃料が噴射され、燃料はキャビティ１０の底面１０ｃから急斜面１０ｅに移動し、さらに急斜面１０ｅの端部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。
【００２６】
一方、少量のガス燃料を噴射する場合には図４に示すように、圧縮工程後期にインジェクタ６から近い第２キャビティ１２の底面１２ｃに向けてガス燃料を噴射し、底面１２ｃ〜急斜面１２ｅ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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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】
【００３０】
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】
【００３１】
【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】第２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】第１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】
【００３２】
１  ピストン
２  シリンダヘッド
４  燃焼室
５  点火プラグ
６  燃料インジェクタ
９  シリンダ
１０  第１キャビティ
１０ｃ  底面
１０ｄ  緩斜面
１０ｅ  急斜面
１２  第２キャビティ
１２ｃ  底面
１２ｄ  緩斜面
１２ｅ  急斜面
【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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