(57)【要約】【課題】この発明は、内燃機関の燃焼制御装置に関し、キャビティの形状に基づいて、常に均一かつ良好な燃焼を可能とする内燃機関の燃焼制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】燃焼室内の混合気を火花点火で燃焼させる内燃機関の燃焼制御装置であって、シリンダヘッド１４に設置された点火プラグ２０と、頂面にキャビティを備えるピストン１０と、を備え、前記キャビティは、前記ピストン１０が上死点に位置する場合において、前記点火プラグ２０の点火点を中心とした球曲面で形成されることを特徴とする。【選択図】図１
2007154827.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内の混合気を、火花点火で燃焼させる内燃機関であって、
シリンダヘッドに設置された点火プラグと、
頂面にキャビティを備えるピストンと、を備え、
前記キャビティは、前記ピストンが上死点に位置する場合において、前記点火プラグの点火点を中心とした球曲面で形成されていることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項２】
前記内燃機関は、前記点火プラグが１気筒に複数設けられ、
前記キャビティは、前記点火プラグ毎に設けられた曲率の等しい複数の球曲面を含んで形成されていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項３】
前記キャビティは、前記ピストンの側面から所定の肉厚を残して形成されていることを特徴とする請求項１、または２記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項４】
前記内燃機関は、前記ピストンが上死点に位置すると、筒内の燃焼室が前記キャビティの空間のみとなることを特徴とする請求項１乃至３記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の燃焼制御装置に関し、特に燃焼を安定させるために好適なキャビティ形状を備える内燃機関の燃焼制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば実開平６−１２７２４号公報には、火炎伝播距離が長くなる領域での燃焼速度を効果的に促進するための内燃機関の燃焼室構造が開示されている。この装置では、より具体的には、ピストン頂面に形成されているキャビティ形状に基づいて、点火プラグから離れる（火炎伝播距離が長い）領域ほど、より強いスキッシュ流を発生させ、燃焼速度を促進させる。その結果、シリンダ内全域において均一かつ良好な燃焼を得ることとしている。
【０００３】
【特許文献１】実開平６−１２７２４号公報
【特許文献２】特開２００４−２３２４７８号公報
【特許文献３】特開昭６３−１８９６１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、スキッシュ流の大小は、内燃機関の機関回転数、あるいは吸気管負圧等により大きく変動する。このため、燃焼室内において、常に一定の燃焼速度差を保つことはできず、常にシリンダ内全域において均一かつ良好な燃焼を得ることは困難であった。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、キャビティの形状に基づいて、常に均一かつ良好な燃焼を可能とする内燃機関の燃焼制御装置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】
【０００６】
第１の発明は、燃焼室内の混合気を、火花点火で燃焼させる内燃機関の燃焼制御装置であって、
シリンダヘッドに設置された点火プラグと、
頂面にキャビティを備えるピストンと、を備え、
前記キャビティは、前記ピストンが上死点に位置する場合において、前記点火プラグの点火点を中心とした球曲面で形成されていることを特徴とする。
【０００７】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記内燃機関は、前記点火プラグが１気筒に複数設けられ、
前記キャビティは、前記点火プラグ毎に設けられた曲率の等しい複数の球曲面を含んで形成されていることを特徴とする。
【０００８】
また、第３の発明は、第１、または２の発明において、
前記キャビティは、前記ピストンの側面から所定の肉厚を残して形成されていることを特徴とする。
【０００９】
また、第４の発明は、第１乃至３の発明において、
前記内燃機関は、前記ピストンが上死点に位置すると、筒内の燃焼室が前記キャビティの空間のみとなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
第１の発明によれば、ピストン頂面に形成されたキャビティは、ピストンが上死点の位置において、点火プラグの点火点を中心とした球曲面の形状となるように形成されている。つまり、前記キャビティは、点火点からの火炎伝播距離が等しい面によって形成されている。このため、前記キャビティの球曲面全域に火炎が同時に到達し、燃焼室内部の混合気を効率よく燃焼させることができる。
【００１１】
第２の発明によれば、前記内燃機関は、点火プラグを１気筒に複数備える。ピストン頂面に形成されたキャビティは、ピストンが燃焼室を画成する上死点の位置において、前記点火プラグ毎に設けられた曲率の等しい複数の球曲面を有する。このため、複数の点火プラグを備える内燃機関であっても、前記キャビティの球曲面には火炎が同時に到達し、燃焼室内部の混合気を効率よく燃焼させることができる。
【００１２】
第３の発明によれば、ピストン頂面に形成されたキャビティは、前記ピストンの側面から所定の肉厚を残す形状とされている。このため、ピストン頂面にキャビティを設けても、常にピストンに必要な耐久性を確保することができる。
【００１３】
第４の発明によれば、前記内燃機関は、前記ピストンが上死点に位置すると、筒内の燃焼室が前記キャビティの空間のみとなる。このため、前記キャビティの空間内部において燃焼を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１としての制御装置が適用された内燃機関の概略を示す図である。本実施の形態の内燃機関は、火花点火式の４ストロークエンジンである。内燃機関は、内部にピストン１０が配置されたシリンダブロック１２と、シリンダブロック１２に組み付けられたシリンダヘッド１４を備えている。また、シリンダヘッド１４上面には、シリンダ内部に連通するように２つの吸気ポート１６、および２つの排気ポート１８が接続されている。尚、図１は、これら複数のポートのうちの１組のポート断面を示している。
【００１５】
また、図１に示すとおり、シリンダヘッド１４上面には、シリンダ内部に先端が露出するように点火プラグ２０が取り付けられている。前述のとおり、シリンダヘッド１４上面には計４つのポートが接続されている。したがって、点火プラグ２０は、この図に示すとおり、ピストン１０のボア中心に配置され、前記ポート群との干渉を避けることとしている。
【００１６】
本実施の形態の内燃機関は、ピストン１０の頂面にキャビティ（窪み）を備えている。そこで、図２、及び３を参照して、ピストン１０のキャビティ形状について詳細に説明する。先ず、図２は、キャビティが形成されたピストン１０、および点火プラグの構成を示す斜視図である。この図に示すとおり、本実施の形態では、ピストン１０の頂面中心部に１つのキャビティが形成されている。
【００１７】
次に、図３（ａ）は、上記ピストン１０の平面図を示す。ここで、図３（ａ）においては、点火プラグ２０を白丸にて表すこととする。また、図３（ｂ）は、ピストン１０が上死点の位置にあるときの図３（ａ）のIII−III線に沿った断面図を示す。図３（ａ）、（ｂ）に示すとおり、ピストン１０の頂面には、点火プラグ２０の点火点（先端）を中心とした球曲面のキャビティが形成される。
【００１８】
[実施の形態１の動作]
次に、図１、および４を参照して、本実施形態の動作を説明する。先ず、吸気ポート１６の内部で生成された混合気はシリンダ内部に吸入され、ピストン１０により圧縮される。ここで、図４は、ピストン１０が上死点に達したときの図３のIV−IV線に沿った断面図を示す。この図に示すとおり、ピストン１０が上死点に達した場合においては、ピストン１０の頂面がシリンダヘッド１４に近づき、かかる微小空間にスキッシュエリア２２を形成する。このため、上記ピストン１０と、シリンダヘッド１４に基づいて画成されたキャビティ部の空間が、本内燃機関の燃焼室２４となる。燃焼室容積は混合気の圧縮比、およびピストン１０のボア径やストロークに基づいて決定され、かかる容積から、キャビティを形成する球曲面の曲率半径が算出される。
【００１９】
圧縮された燃焼室２４内部の混合気は、次いで、点火プラグ２０によって点火される。図４に示すとおり、本実施の形態の燃焼室２４は、前記点火プラグ２０を中心とした球曲面のキャビティにより画成されている。このため、本実施の形態では、点火プラグの点火点を中心として火炎が燃焼室内部を球状に伝播することにより、キャビティを形成する球曲面全域に火炎が同時に到達し、燃焼が一斉に終了することとなる。
【００２０】
以上、説明したとおり、本実施形態の装置は、燃焼室形状、すなわちピストン頂面に形成されたキャビティの形状を、点火点からの火炎伝播距離が等しい曲面にて形成することにより、燃焼室内部の混合気を効率よく短期間にて燃焼させることができる。このため、スワール流、またはスキッシュ流等の混合気の気流によらず、キャビティ形状のみに基づいて、常に安定した燃焼を行うことができる。したがって、よりリーンな混合気を安定して燃焼させることが可能であり、燃費改善や排出ガスの低減を実現することができる。
【００２１】
ところで、上述した実施の形態１においては、吸気ポート１６の内部において混合気を生成するポート噴射方式としたが、燃料噴射方式はこれに限られない。すなわち、燃焼室内部にインジェクタを設置し、直接噴射する直接噴射方式としてもよい。
【００２２】
また、上述した実施の形態１においては、点火プラグ２０を、ピストン１０の中心に設置することとしているが、点火プラグの設置位置はこれに限定するものではない。すなわち、前述した各種ポート等と干渉しないのであれば、前記点火プラグの点火点がキャビティの球曲面の中心にある限りにおいて、他の位置に設置することとしてもよい。
【００２３】
実施の形態２．
［実施の形態２の構成］
上述した実施の形態１においては、１気筒に１つの点火プラグ２０を備える内燃機関に対して本発明を実施している。これに対して、エミッション改善、およびノッキング防止等に好適であるとして、１気筒に２つの点火プラグを備える内燃機関がある。より良好な燃焼を得るために、かかる２つの点火プラグを備える内燃機関において本発明を実施することも可能である。
【００２４】
ここで、図１、および５、６を参照して、本発明の実施の形態２について具体的に説明する。本実施の形態の装置は、図１のハードウェア構成に示す点火プラグ２０を２つ備え、かつ、ピストン１０の代わりに後述する図５、および６に示すキャビティが形成されたピストン２６を備えることにより実現することができる。
【００２５】
先ず、図５はキャビティが形成されたピストン２６、および点火プラグの構成を示す斜視図である。この図によれば、本実施の形態の装置には、第１の点火プラグ２０ａ、および第２の点火プラグ２０ｂが設置されている。また、図６（ａ）は、上記ピストン１０の平面図を示す。ここで、この図においては、点火プラグ２０ａ、２０ｂを白丸にて表すこととする。また、点線で描かれた円１６ａ、１６ｂ、および１８ａ、１８ｂは、本内燃機関の備えるポートの位置を表している。この図に示すとおり、両点火プラグは、ピストン１０の中心から対称な位置であり、かつ、上記ポートと干渉しない位置に設置されている。
【００２６】
次に、本実施の形態のキャビティ形状について詳細に説明する。ここで、図６（ｂ）は、ピストン１０が上死点の位置にあるときの図６（ａ）ＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図を示す。図６（ａ）、（ｂ）に示すとおり、ピストン２６の頂面にはキャビティが形成されている。かかるキャビティは、点火プラグ２０ａ側の第１の凹部、および点火プラグ２０ｂ側の第２の凹部により形成されている。これらの図によれば、第１の凹部は、点火プラグ２０ａの点火点を中心とした球曲面２８により形成されている。また、第２の凹部は、点火プラグ２０ｂの点火点を中心とした、球曲面２８と同曲率の球曲面３０に基づいて形成されている。そして、球曲面２８、球曲面３０が滑らかに接続されることにより、第１の凹部、および第２の凹部が一体となり、上記キャビティが形成される。実施の形態1と同様に、かかるキャビティ空間が本内燃機関の燃焼室２４となる。燃焼室の容積は内燃機関の圧縮比に基づいて決定され、これに伴い曲面半径が決定される。
【００２７】
[実施の形態２の動作]
本実施形態の場合においても前述した実施の形態１と同様に、シリンダ内部に吸入された混合気がピストンにより圧縮される。圧縮された燃焼室内部の混合気は、次いで、点火プラグ２０ａ、及び２０ｂによって点火される。本実施の形態では、各点火点を中心とした２つの球曲面２８、および３０に基づいて形成されているキャビティを備える。このため、各点火プラグの点火点を中心として火炎が燃焼室内部を球状に伝播することにより、キャビティを形成する球曲面２８、および３０全域に火炎が同時に到達し、燃焼が一斉に終了することとなる。
【００２８】
以上、説明したとおり、本実施形態の装置は、点火点からの火炎伝播距離が等しい２つの球曲面に基づいて形成されるキャビティを備える。このため、２つのプラグにて点火を行うことで、前記キャビティの球曲面全域に火炎が同時に到達し、燃焼室内部の混合気を効率よく一斉に燃焼させることができる。また、スワール流、またはスキッシュ流等の混合気の気流によらず、キャビティ形状のみに基づいて、常に安定した燃焼を行うことができる。したがって、よりリーンな混合気を安定して燃焼させることが可能であり、燃費改善や排出ガスの低減を実現することができる。
【００２９】
実施の形態３．
［実施の形態３の構成］
上述した実施の形態２においては、ピストン中心から対称な２点に各点火プラグを備える内燃機関において本発明を実施している。しかしながら、前述のとおり、本内燃機関はシリンダヘッド１４上面に４つのポートが接続されている。このため、実施の形態２に示す位置に点火プラグを設置できない場合も考えられる。したがって、本実施の形態では、上記２弁式の内燃機関に好適な位置に点火プラグを配置し本発明を実施することとする。
【００３０】
ここで、図１、および図７、８を参照して、本発明の実施の形態３について具体的に説明する。本実施の形態の装置は、図１のハードウェア構成に示す点火プラグ２０を２つ備え、かつ、ピストン１０の代わりに後述する図７および８に示すキャビティが形成されたピストン３２を備えることにより実現することができる。
【００３１】
先ず、図７はキャビティが形成されたピストン３２、および点火プラグの構成を示す斜視図である。この図によれば、本実施の形態の装置には、第１の点火プラグ２０ａ、および第２の点火プラグ２０ｂが設置されている。また、図８（ａ）は、上記ピストン１０の平面図を示す。ここで、この図においては、点火プラグ２０ａ、２０ｂを白丸にて示すこととする。また、点線で描かれた円１６ａ、１６ｂ、および１８ａ、１８ｂは、本内燃機関の備えるポートの位置を表している。この図に示すとおり、第１の点火プラグ２０ａがピストン１０の中心に、第２の点火プラグ２０ｂがピストン１０の側面寄りに設置されることにより、上記ポートと点火プラグの間のスペースを確保することができ、効果的に干渉を回避することが可能である。
【００３２】
次に、本実施の形態のキャビティ形状について詳細に説明する。ここで、図８（ｂ）は、ピストン２８が上死点の位置にあるときの図８（ａ）のVIII−VIIIに沿った断面図を示す。図８（ａ）、（ｂ）に示すとおり、ピストン２８の頂面にはキャビティが形成されている。前記キャビティは、ピストン中心付近の第１の凹部、およびピストン側面寄りの第２の凹部により形成されている。これらの図によれば、第１の凹部は、点火プラグ２０ａの点火点を中心とした球曲面３４により形成されている。
【００３３】
図８（ｃ）は、図８（ｂ）の円形の１点鎖線で囲まれた範囲の詳細図を示す。この図によれば、第２の凹部は、点火プラグ２０ｂの点火点を中心とした、球曲面３４と同曲率の球曲面３６と、ピストン３２の側面に所定の肉厚を残すように形成された側面３８とにより形成されている。かかる肉厚は、ピストンに必要な耐久性を確保できる最低の肉厚とされる。そして、球曲面３４、球曲面３６、および側面３８が滑らかに接続されることにより、第１の凹部、および第２の凹部が一体となり、上記キャビティが形成される。実施の形態1と同様に、かかるキャビティ空間が本内燃機関の燃焼室２４となる。燃焼室の容積は内燃機関の圧縮比に基づいて決定され、これに伴い曲面半径が決定される。
【００３４】
[実施の形態３の動作]
本実施形態の場合においても前述した実施の形態２と同様に、シリンダ内部に吸入された混合気がピストンにより圧縮される。圧縮された燃焼室内部の混合気は、点火プラグ２０ａ、及び２０ｂによって点火される。本実施の形態では、各点火点を中心とした球曲面３４、３６、および側面３８に基づいてキャビティが形成されている。このため、各点火プラグの点火点を中心として火炎が燃焼室内部を球状に伝播することにより、キャビティを形成する球曲面３４、および３６全域に火炎が同時に到達し、燃焼が一斉に終了することとなる。
【００３５】
以上、説明したとおり、本実施形態の装置は、各点火点を中心とした火炎伝播距離が等しい球曲面３４、３６、およびピストン側面に所定の肉厚を残すための側面３８に基づいてキャビティが形成されている。このため、２つのプラグにて点火を行うことで、前記キャビティの球曲面３４、３６全域に火炎が同時に到達し、燃焼室内部の混合気を効率よく一斉に燃焼させることができる。また、スワール流、またはスキッシュ流等の混合気の気流によらず、キャビティ形状のみに基づいて、常に安定した燃焼を行うことができる。したがって、よりリーンな混合気を安定して燃焼させることが可能であり、燃費改善や排出ガスの低減を実現することができる。
【００３６】
ところで、上述した実施の形態２においては、第１の点火プラグ２０ａをピストンの中心に、第２の点火プラグ２０ｂをピストン側面寄りに設置することとしているが、設置位置はこれに限定するものではない。すなわち、前述した、各種ポートと干渉しないのであれば、前記各点火プラグの点火点がキャビティの球曲面の中心にある限りにおいて、他の位置に設置することとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態１としての制御装置が適用された内燃機関の概略構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１のキャビティが形成されたピストン１０、および点火プラグ２０の構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態１の図２に示すピストン１０の平面図、および断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１の図３のIV−IV線に沿った断面図である。
【図５】本発明の実施の形態２のキャビティが形成されたピストン２６、および点火プラグ２０の構成を示す斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態２の図５に示すピストン２６の平面図、および断面図である。
【図７】本発明の実施の形態３のキャビティが形成されたピストン３２、および点火プラグ２０の構成を示す斜視図である。
【図８】本発明の実施の形態３の図７に示すピストン３２の平面図、断面図、および詳細図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  ピストン
１２  シリンダブロック
１４  シリンダヘッド
１６  吸気ポート
１８  排気ポート
２０  点火プラグ
２２  スキッシュエリア
２４  燃焼室
【図１】
2007154827.tif 000003
【図２】
2007154827.tif 000004
【図３】
2007154827.tif 000005
【図４】
2007154827.tif 000006
【図５】
2007154827.tif 000007
【図６】
2007154827.tif 000008
【図７】
2007154827.tif 000009
【図８】
2007154827.tif 000010