(57)【要約】【課題】  直噴エンジンにおいて均質燃焼を実現するに当たり、排気性能を高めつつ、充分な燃焼エネルギーを確保すること。【解決手段】  ピストン２６の冠面２６０を略フラットに形成する。冠面２６０に形成された第１キャビティ２６１の排気側に、当該第１キャビティ２６１に沿ってピストン２６の外周付近まで拡がる第２キャビティ２６２を形成している。第１キャビティ２６１内で略球状に成長した火炎面は、隣接する第２キャビティ２６２に乗り越えることによって速やかに第２キャビティ２６２の底部側に成長することができるので、生成された火炎が第１キャビティ２６１から仕切壁２６３を乗り越える時間を短縮することができるばかりでなく、第２キャビティ２６２によって火炎面面積の再増加を図り、熱発生率の棚と燃焼の緩慢化を防止して、燃焼トルクを増大させることが可能になる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンを往復移動可能に収容し、且つペントルーフ状の天井面を有する燃焼室を形成する気筒と、
前記燃焼室の天井面中央部分に装着されて燃焼室内に電極を臨ませた点火プラグと、
燃焼室の吸気弁側の周縁部分に装着された燃料噴射弁と、
前記ピストンの冠面の吸気側に寄って所定深さの第１キャビティを形成し、第１キャビティの点火プラグに接近した縦壁を、噴霧ガイドとして機能させるようにした火花点火式直噴エンジンにおいて、
前記ピストンの冠面を略フラットに形成し、この冠面に前記第１キャビティを形成するとともに、この第１キャビティの排気側に、当該第１キャビティに沿ってピストンの外周付近まで拡がる第２キャビティを形成していることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
【請求項２】
請求項１記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
第１キャビティは、平面視において吸気弁が並ぶ方向に長い略レモン状に形成されているとともに、第２キャビティは、湾曲凹部が第１キャビティの円弧に沿う平面視三日月形状に形成され、且つこの第２キャビティの三日月形状の両端には所定の曲率を有する円弧部が設定されていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
【請求項３】
請求項１または２記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
第２キャビティの前記縦壁の上縁部は、第１キャビティの縦壁の上縁部よりも大きな曲率半径に設定されていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
【請求項４】
請求項１から３の何れか１項に記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
前記第２キャビティは、上死点にて排気弁のリフト軌跡を収納できる深さに設定されていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は火花点火式直噴エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に直噴エンジン、特に成層エンジン（Ｓｔｒａｔｉｆｉｅｄ−Ｃｈａｒｇｅ  Ｅｎｇｉｎｅ）と呼称されている火花点火式の内燃機関は、燃料噴射弁の噴射口を燃焼室に臨ませ、圧縮行程の後半に燃料を噴射させることにより、点火時点において着火性の良好な可燃混合気を点火プラグ近傍に形成し、燃焼室全体としてリーンな成層燃焼を実現するものである。
【０００３】
一般にこの種の直噴エンジンにおいては、燃焼室の中央部分に稜線を有するペントルーフ状の天井面を設け、前記稜線の中央に点火プラグを配置して電極を燃焼室内に臨ませているとともに、燃焼室の周縁部において、吸気側に燃料噴射弁が配置されている。他方、ピストンの冠面には、点火プラグの電極と燃料噴射弁の噴出口に面したキャビティが形成されている。そして、圧縮行程の後半に燃料を噴射させることにより、噴射された燃料がキャビティの縦壁に沿って点火プラグの電極に導かれ、よりリーンな成層燃焼が可能となる。
【０００４】
また、特許文献１に示されるように、前記キャビティの外側にスキッシュ流を生成するための凹部を設け、点火プラグ回りに強いスキッシュ流が生じるのを当該凹部によって防止することにより、好ましい成層燃焼を得ることを意図した技術も開示されている。
【特許文献１】特開２００３-６５０５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、近年では、上述のような直噴エンジンを用いて、温間時に均質燃焼を実現することが試みられている。均質燃焼を実現させる場合には、ピストン冠面には、必ずしもキャビティを設ける必要はないが、冷間時のエンジン始動において、排気温を高め、触媒の温度を高めて排気性能を向上するため、冷間時の着火、燃焼性を向上することにより、点火のリタード量を大きくすることが望ましい。そのためには、ピストン冠面に僅かながら小さな窪みを形成し、且つ圧縮行程噴射を行うことにより、点火プラグ回りに適度に噴霧を集めて燃焼性を向上することが好ましい。他方、そのようなキャビティを形成した場合には、着火後の火炎がキャビティの壁面に衝突し、火炎伝播がピストンの冠面全体に行き渡らなくなるという問題が存することが本件発明者の研究によって明らかになってきた。このため燃焼の過程で熱発生率がクランク角度の進度に比べて停滞する「熱発生率の棚」（図７のＰＡ参照）が発生し、その後は、燃焼が緩慢となり、所期の燃焼エネルギーを確保することができなくなるという問題が想定されることとなった。
【０００６】
本発明は前記不具合に鑑みてなされたものであり、直噴エンジンにおいて均質燃焼を実現するに当たり、排気性能を高めつつ、充分な燃焼エネルギーを確保することのできる火花点火式直噴エンジンを提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明は、ピストンを往復移動可能に収容し、且つペントルーフ状の天井面を有する燃焼室を形成する気筒と、前記燃焼室の天井面中央部分に装着されて燃焼室内に電極を臨ませた点火プラグと、燃焼室の吸気弁側の周縁部分に装着された燃料噴射弁と、前記ピストンの冠面の吸気側に寄って所定深さの第１キャビティを形成し、第１キャビティの点火プラグに接近した縦壁を、噴霧ガイドとして機能させるようにした火花点火式直噴エンジンにおいて、前記ピストンの冠面を略フラットに形成し、この冠面に前記第１キャビティを形成するとともに、この第１キャビティの排気側に、当該第１キャビティに沿ってピストンの外周付近まで拡がる第２キャビティを形成していることを特徴とする火花点火式直噴エンジンである。この態様では、燃料噴射後に点火プラグが作動すると、点火プラグ回りで火炎が発生し、主として第１キャビティ内から燃焼室全体に略球状に伝播しようとする。ここで、第１キャビティ内で略球状に成長した火炎面は、隣接する第２キャビティに乗り越えることによって速やかに第２キャビティの底部側に成長することができるので、生成された火炎が第１キャビティの縦壁を乗り越える時間を短縮することができるばかりでなく、第２キャビティによって火炎面面積の再増加を図り、熱発生率の棚と燃焼の緩慢化を防止して、燃焼トルクを増大させることが可能になる。
【０００８】
好ましい態様において、第１キャビティは、平面視において吸気弁が並ぶ方向に長い略レモン状に形成されているとともに、第２キャビティは、湾曲凹部が第１キャビティの円弧に沿う平面視三日月形状に形成され、且つこの第２キャビティの三日月形状の両端には所定の曲率を有する円弧部が設定されている。この態様では、中央部の点火プラグから、キャビティの縦壁に到達する火炎伝播距離を少しずつずらすとともに、三日月形状の両端隅部に火炎を進入しやすくし、火炎伝播阻害を抑制することで、熱発生率の棚ができにくい仕様として、その後の火炎面面積の再増加を図ることが可能になる。
【０００９】
好ましい態様において、第２キャビティの前記縦壁の上縁部は、第１キャビティの縦壁の上縁部よりも大きな曲率半径に設定されている。この態様では、縦壁による噴霧ガイド機能を確保しつつ、縦壁を乗り越えた火炎を第２キャビティ側に入りやすくして、熱発生率の棚ができにくい仕様とすることが可能になる。
【００１０】
好ましい態様において、前記第２キャビティは、上死点にて排気弁のリフト軌跡を収納できる深さに設定されている。この態様では、第２キャビティに排気弁のリフト軌跡を収納できる深さを持たせることにより、第２キャビティに伝播した火炎を当該第２キャビティ内にてより大きく成長させ、熱発生率の低下を回避しつつ燃焼を速く終了させることが可能になる。また、排気弁のバルブリセスを設ける必要がなくなるので、第２キャビティの輪郭を滑らかな湾曲面に形成することができ、火炎伝播への悪影響をも防止することが可能になる。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、第１キャビティ内にて略球状に成長した火炎を第２キャビティによって速やかに成長させ、熱発生率の棚と燃焼の緩慢化を防止して、燃焼トルクを増大させることが可能になるので、直噴エンジンにおいて均質燃焼を実現するに当たり、排気性能を高めつつ、充分な燃焼エネルギーを確保することができるという顕著な効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施の一形態に係るエンジン２０の概略構成を示す構成図である。
【００１４】
図１を参照して、図示の４サイクルガソリンエンジン２０は、クランクシャフト２１を回転自在に支持するシリンダブロック２２と、シリンダブロック２２の上部に配置されたシリンダヘッド２３とを一体的に有しており、これらシリンダブロック２２およびシリンダヘッド２３には、複数の気筒２４が設けられている。
【００１５】
各気筒２４には、コンロッド２５を介してクランクシャフト２１に連結されたピストン２６と、ピストン２６が気筒２４内に形成する燃焼室２７とが設けられている。
【００１６】
シリンダヘッド２３の下面には、気筒２４毎に燃焼室２７の天井部が構成され、この天井部は中央部分からシリンダヘッド２３の下端まで延びる２つの傾斜面を有するいわゆるペントルーフ型となっている。
【００１７】
前記燃焼室２７の天井部には各々独立した２つの吸気ポート２８および排気ポート２９が概ね対称形に開口しており、各ポート２８、２９の開口端に吸気弁３０および排気弁３１が設けられ、吸気２弁、排気２弁の４弁構成となっている。
【００１８】
燃焼室２７の側部には、図略のコントロールユニットからの燃料噴射パルスを受けて、このパルス幅に対応する燃料を燃焼室２７に噴射する燃料噴射弁３２が設けられている。
【００１９】
各気筒２４には、シリンダヘッド２３に固定され、燃焼室２７内にスパークを発する点火プラグ３４が配設されている。各点火プラグ３４は、シリンダヘッド２３の稜線部分の略中央に配置されている。点火プラグ３４には、電子制御による点火タイミングのコントロールが可能な点火回路３５が接続されており、この点火回路３５が前記コントロールユニットに制御されるようになっている。
【００２０】
各気筒２４の吸気弁３０および排気弁３１には、それぞれ公知のタペットユニット３６が設けられている。タペットユニット３６は、シリンダヘッド２３に設けられた動弁機構のカム軸３７、３８のカム３７ａ、３８ａによって、周期的に駆動されるものである。
【００２１】
エンジン２０の吸気ポート２８には、インテークマニホールド４２の分岐吸気管４３が接続している。分岐吸気管４３は、気筒２４毎に設けられており、それぞれがインテークマニホールド４２に等長の吸気経路を形成した状態で接続されている。
【００２２】
次に、排気ポート２９には、各気筒２４に２つ一組で形成された二股状の分岐排気管５１が接続されている。各分岐排気管５１の下流端は、周知の構成と同様に、エキゾーストマニホールドを介して既燃ガスを排出する排気通路が接続されている。
【００２３】
次に図２を参照して、本発明に係るピストン２６について詳述する。
【００２４】
図２は、本発明に係るピストンの外観を示すものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。また、図３は、同ピストンの外観を示すものであり、（Ａ）は要部のみを示した平面略図、（Ｂ）は正面断面図である。さらに図４は図２（Ａ）のＡ−Ａ断面略図、図５は図２（Ａ）のＢ−Ｂ断面略図、図６は図２（Ａ）のＣ−Ｃ断面略図である。
【００２５】
各図を参照して、本実施形態に係るピストン２６は、フラットな冠面２６０を有している。冠面２６０には、当該冠面２６０の中心２６０ａを含んで吸気側に拡がる略レモン形状の第１キャビティ２６１が形成されている。さらに、冠面２６０の排気側には、略三日月形状の第２キャビティ２６２が形成されている。第１、第２キャビティ２６１、２６２の間には、両者の円弧に沿って仕切壁２６３が形成されている。本実施形態において、仕切壁２６３の一部は、第１キャビティ２６１の縦壁を区画している。
【００２６】
第１キャビティ２６１は、冷間時の成層燃焼領域（低速低負荷運転領域）においては、燃料噴射弁３２から圧縮行程後期に噴射されて、前記仕切壁２６３に当接した燃料の噴霧が燃焼室２７中央の点火プラグ３４に導かれ、全体としてはリーンな状態で成層燃焼を実現するためのものである。さらに第１キャビティ２６１は、中高負荷運転領域において、良好な均質燃焼を実現するために、比較的浅く窪んでいる。第１キャビティ２６１の吸気側には、吸気弁３０との干渉を避けるバルブリセス２６４が形成されている。第１キャビティ２６１は、その長軸がクランクシャフト２１の長手方向に沿っており、吸気側の円弧が中心２６０ａと同心に沿った形状になっている。このため、排気側の円弧は、ピストン２６の中心２６０ａを幾分含んだ形で湾曲している。他方、点火プラグ３４は、この中心２６０ａの真上からピストン２６の第１キャビティ２６１に臨んでいる。従って、点火プラグ３４が混合気を着火した際、混合気の燃焼によって生じた火炎は、まず、第１キャビティ２６１の排気側から球状に肥大することになる。また、図示の実施形態では、第１キャビティ２６１の底部は、図６に示すように比較的大きな曲率（例えば曲率半径が２ｍｍ）に設定されており、これによって第１キャビティ２６１の排気側から肥大した火炎が、可能な限りキャビティ２６１と接触するまでの距離を確保しているとともに、第１キャビティ２６１の深さを浅く設定して、有効圧縮比を確保している。
【００２７】
次に、第２キャビティ２６２は、温間時において点火プラグ３４回りで略球状に成長した火炎がさらに肥大するのを促進するための窪みである。この第２キャビティ２６２は、第１キャビティ２６１に近接する側の湾曲凹部が、一定間隔を隔ててオフセットした状態で第１キャビティ２６１の輪郭に沿っているとともに、排気側の湾曲凸部は、中心２６０ａと同心の円弧に沿い、且つ両端側（すなわち、クランクシャフト２１の長手方向両側）において、小さな曲率半径で湾曲して吸気側の湾曲凹部と連続している。
【００２８】
図２（Ａ）並びに図６を参照して、第２キャビティ２６２の底部は、三日月状のフラット部２６２ａを有している。換言すれば、第２キャビティ２６２の吸気側と排気側の底部は、それぞれ比較的大きな曲率（図示の例では曲率半径が１２ｍｍ程度）で湾曲しており、これによって、後述するように火炎の膨張が可及的に燃焼室２７の全体にわたって促進されるように構成されている。また、第２キャビティ２６２の寸法設定は、ピストン２６が上死点にあるときに、排気弁（排気２弁）３１が何れも収容できるように、冠面２６０の排気側外縁に近接した状態で所定深さに形成されている。
【００２９】
仕切壁２６３は、上述した第１、第２キャビティ２６１、２６２の間に必然的に形成されたものであり、その上部には、第１キャビティ２６１側の第１上縁部２６３ａと、第２キャビティ２６２側の第２上縁部２６３ｂとが形成されている。第１上縁部２６３ａは、比較的大きな曲率（例えば曲率半径が１ｍｍ）に設定されており、底部の曲率が比較的大きく設定されていることと相俟って、燃料噴射弁３２から噴射した燃料の噴霧が効率よく点火プラグ３４へ誘導されるとともに、第１キャビティ２６１内にて膨張した火炎がスムーズに第２キャビティ２６２側に膨出し、燃焼の迅速化を促進することが可能になっている。なお図４〜図６において、各部の曲率半径Ｒを併記しているが、これらは各部の比率を表わすために例示したものであり、本発明がこれらの寸法に限定されることを意図したものではない。例えば、図６において、第１、第２上縁部２６３ａ、２６３ｂの曲率は２：１になっているが、第１、第２上縁部２６３ａ、２６３ｂの各曲率をそれぞれκ１、κ２とすると、κ１≧κ２であればよく、κ１＝κ２であってもよい。
【００３０】
図７は第２キャビティ２６２を設けた場合と省略した場合の比較例を示すグラフであり、縦軸が熱発生率（ｄＱ／ｄθ）、横軸がクランク角度（Ｄｅｇ．）である。また、図７において、実線は本実施形態、破線は比較例を示している。
【００３１】
図７を参照して、温間均質燃焼時において、燃料噴射後に点火プラグ３４が作動すると、点火プラグ３４回りで火炎が発生し、主として第１キャビティ２６１内から燃焼室２７全体に略球状に伝播しようとする。ここで、仮に第２キャビティ２６２が省略された従来型のピストンの場合、第１キャビティ２６１内で略球状に成長した火炎面は、ピストンの冠面上で鉛直方向の拡がりが抑制されるため、図７に示す破線のＰＡで示すように、一時的に熱発生率が停滞する棚状の特性を呈し、その後は緩慢に燃焼することになる。
【００３２】
これに対して本実施形態では、第１キャビティ２６１から仕切壁２６３を乗り越えた火炎は、第２キャビティ２６２内で鉛直方向においても膨張し続けることができるので、前記ＰＡのような棚が形成されることはなく、比較例に比べて迅速に燃焼することが可能となっている。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態では、第１キャビティ２６１内で略球状に成長した火炎面は、隣接する第２キャビティ２６２に乗り越えることによって速やかに当該第２キャビティ２６２の底部側に成長することができるので、生成された火炎が第１キャビティ２６１の仕切壁（すなわち縦壁）２６３を乗り越える時間を短縮することができるばかりでなく、第２キャビティ２６２によって火炎面面積の再増加を図り、熱発生率の棚と燃焼の緩慢化を防止して、燃焼トルクを増大させることが可能になる。
【００３４】
また本実施形態では、第１キャビティ２６１は、平面視において吸気弁３０が並ぶ方向に長い略レモン状に形成されているとともに、第２キャビティ２６２は、湾曲凹部が第１キャビティ２６１の円弧に沿う平面視三日月形状に形成され、且つこの第２キャビティ２６２の三日月形状の両端には所定の曲率を有する円弧部が設定されている。このため本実施形態では、中央部の点火プラグ３４から、キャビティの仕切壁２６３に到達する火炎伝播距離を少しずつずらすとともに、三日月形状の両端隅部に火炎を進入しやすくし、火炎伝播阻害を抑制することで、熱発生率の棚ができにくい仕様として、その後の火炎面面積の再増加を図ることが可能になる。
【００３５】
また本実施形態では、第２キャビティ２６２の前記仕切壁２６３の上縁部２６３ｂは、第１キャビティ２６１の仕切壁２６３の上縁部２６３ａよりも大きな曲率半径に設定されている。このため本実施形態では、仕切壁２６３による噴霧ガイド機能を確保しつつ、仕切壁２６３を乗り越えた火炎を第２キャビティ２６２側に入りやすくして、熱発生率の棚ＰＡができにくい仕様とすることが可能になる。
【００３６】
また本実施形態では、前記第２キャビティ２６２は、上死点にて排気弁３１のリフト軌跡を収納できる深さに設定されている。このため本実施形態では、第２キャビティ２６２に排気弁３１のリフト軌跡を収納できる深さを持たせることにより、第２キャビティ２６２に伝播した火炎を当該第２キャビティ２６２内にてより大きく成長させ、熱発生率の低下を回避しつつ燃焼を速く終了させることが可能になる。さらに、排気弁３１のバルブリセスを設ける必要がなくなるので、第２キャビティ２６２の輪郭を滑らかな湾曲面に形成することができ、火炎伝播への悪影響をも防止することが可能になる。
【００３７】
上述した実施形態は本発明の好ましい具体例に過ぎず、本発明は上述した実施形態に限定されない。
【００３８】
本発明の特許請求の範囲内で種々の変更が可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の一形態に係るエンジンの概略構成を示す構成図である。
【図２】本発明に係るピストンの外観を示すものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。
【図３】同ピストンの外観を示すものであり、（Ａ）は要部のみを示した平面略図、（Ｂ）は正面断面図である。
【図４】さらに図４は図２（Ａ）のＡ−Ａ断面略図である。
【図５】図５は図２（Ａ）のＢ−Ｂ断面略図である。
【図６】図６は図２（Ａ）のＣ−Ｃ断面略図である。
【図７】第２キャビティを設けた場合と省略した場合の比較例を示すグラフであり、縦軸が熱発生率、横軸がクランク角度である。
【符号の説明】
【００４０】
２０  ４サイクルガソリンエンジン
２１  クランクシャフト
２２  シリンダブロック
２３  シリンダヘッド
２４  気筒
２６  ピストン
２７  燃焼室
２８  吸気ポート
２９  排気ポート
３０  吸気弁
３１  排気弁
３２  燃料噴射弁
３４  点火プラグ
２６０  冠面
２６１  第１キャビティ
２６２  第２キャビティ
２６２ａ  フラット部
２６３  仕切壁（縦壁の一例）
２６３ａ  第１上縁部
２６３ｂ  第２上縁部
ＰＡ      熱発生率の棚
【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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