(57)【要約】【課題】均質燃焼時において噴射燃料によりシリンダボアの排気弁側に沿って下降して吸気弁側に沿って上昇するタンブル流を強める筒内噴射式火花点火内燃機関において、圧縮行程末期の気筒内の混合気濃度の不均一を抑制して良好な均質燃焼を実現可能とする。【解決手段】気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁１から吸気行程末期にシリンダボアの排気弁側へ向けて噴射される燃料Ｆによりシリンダボアの排気弁側に沿って下降してシリンダボアの吸気弁側に沿って上昇するタンブル流Ｔを強めて均質燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、圧縮行程末期の気筒内空間は排気弁側に比較して吸気弁側が大きくされている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁から吸気行程末期にシリンダボアの排気弁側へ向けて噴射される燃料によりシリンダボアの排気弁側に沿って下降してシリンダボアの吸気弁側に沿って上昇するタンブル流を強めて均質燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、圧縮行程末期の気筒内空間は排気弁側に比較して吸気弁側が大きくされていることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項２】
ピストン頂面を傾斜させて排気弁側が高く吸気弁側が低くされることにより、圧縮行程末期の気筒内空間は排気弁側に比較して吸気弁側が大きく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内燃機関。
【請求項３】
前記燃料噴射弁により噴射される燃料の少なくとも一部が点火ギャップを通過するように前記燃料噴射弁の近傍に点火プラグが配置され、前記燃料噴射弁により圧縮行程後半に燃料を噴射することにより成層燃焼も実施され、ピストン頂面の排気弁側には、前記燃料噴射弁により圧縮行程後半に噴射される燃料の衝突を抑制するキャビティが形成されていることを特徴とする請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項４】
ピストン頂面の吸気弁側の周囲部を隆起させることを特徴とする請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【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内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を圧縮行程末期の点火時期において着火燃焼させる均質燃焼が公知である。吸気行程において気筒内に生成されるタンブル流を圧縮行程後半まで持続させることができれば、圧縮行程末期の点火時期において気筒内にはタンブル流によって乱れを存在させることができ、均質燃焼の燃焼速度を速めることができる。
【０００３】
ところで、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備する筒内噴射式火花点火内燃機関において燃料噴射弁を気筒上部略中心に配置することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このような筒内噴射式火花点火内燃機関において、均質燃焼を実施する際に、吸気行程末期に燃料噴射弁からシリンダボアの排気弁側へ向けて燃料を噴射すれば、燃料の貫徹力を利用してシリンダボアの排気弁側に沿って下降してシリンダボアの吸気弁側に沿って上昇するタンブル流を強めることができる。こうしてタンブル流を強めることにより、タンブル流を圧縮行程後半まで持続させることができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−４９６７９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述したように噴射された燃料の多くは、タンブル流と共にシリンダボアの排気弁側に沿って下降した後に、タンブル流と共にピストン頂面に沿って進行し、次いで、タンブル流と共にシリンダボアの吸気弁側に沿って上昇する。しかしながら、一部の液状燃料は、タンブル流と共に上昇せずに、ピストン頂面の吸気弁側に留まってしまう。この液状燃料は点火時期までには気化するが、それにより、圧縮行程末期に気筒内に形成される混合気の濃度が均一とならず、吸気弁側において意図するより濃厚となり、その分、排気弁側において意図するより希薄となる。このような混合気濃度の不均一は、未燃燃料の排出量を増加させると共に発生出力を低下させる。
【０００７】
従って、本発明の目的は、均質燃焼時において噴射燃料によりシリンダボアの排気弁側に沿って下降して吸気弁側に沿って上昇するタンブル流を強める筒内噴射式火花点火内燃機関において、圧縮行程末期の気筒内の混合気濃度の不均一を抑制して良好な均質燃焼を実現可能とすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁から吸気行程末期にシリンダボアの排気弁側へ向けて噴射される燃料によりシリンダボアの排気弁側に沿って下降してシリンダボアの吸気弁側に沿って上昇するタンブル流を強めて均質燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、圧縮行程末期の気筒内空間は排気弁側に比較して吸気弁側が大きくされていることを特徴とする。
【０００９】
本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、ピストン頂面を傾斜させて排気弁側が高く吸気弁側が低くされることにより、圧縮行程末期の気筒内空間は排気弁側に比較して吸気弁側が大きくされることを特徴とする。
【００１０】
本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁により噴射される燃料の少なくとも一部が点火ギャップを通過するように前記燃料噴射弁の近傍に点火プラグが配置され、前記燃料噴射弁により圧縮行程後半に燃料を噴射することにより成層燃焼も実施され、ピストン頂面の排気弁側には、前記燃料噴射弁により圧縮行程後半に噴射される燃料の衝突を抑制するキャビティが形成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明による請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、ピストン頂面の吸気弁側の周囲部を隆起させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、均質燃焼時において、気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁から吸気行程末期にシリンダボアの排気弁側へ向けて斜め下方向に噴射される燃料の貫徹力によりシリンダボアの排気弁側に沿って下降してシリンダボアの吸気弁側に沿って上昇するタンブル流が強められるために、タンブル流を圧縮行程後半まで持続させて気筒内に乱れを発生させ、燃焼速度を速めることができる。噴射燃料の多くはタンブル流と共にシリンダボアの吸気弁側に沿って上昇して気筒内全体に分散するが、噴射燃料の一部は、タンブル流と共にシリンダボアの吸気弁側に沿って上昇せずに、ピストン頂面の吸気弁側に留まる。その後、この燃料は主に気筒内の吸気弁側へ気化し、このままでは、圧縮行程末期の気筒内の混合気濃度は、吸気弁側が濃くなって不均一となるが、圧縮行程末期の気筒内空間は排気弁側に比較して吸気弁側が大きくされているために、混合気濃度の不均一が抑制され、良好な均質燃焼を実現することができる。
【００１３】
本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、ピストン頂面を傾斜させて排気弁側が高く吸気弁側が低くされており、このような簡単な構成によって、圧縮行程末期の気筒内空間を排気弁側に比較して吸気弁側を大きくすることができる。
【００１４】
本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射弁により噴射される燃料の少なくとも一部が点火ギャップを通過するように燃料噴射弁の近傍に点火プラグが配置され、燃料噴射弁により圧縮行程後半に燃料を噴射することにより均質燃焼だけでなく成層燃焼も実施するようになっている。この成層燃焼時において、ピストン頂面の排気弁側が高くされているために、そのままでは、圧縮行程後半に噴射される燃料がピストン頂面に衝突し易い。圧縮行程後半にピストン頂面に衝突して付着する燃料の多くは未燃燃料として排出されるだけであるために、ピストン頂面の排気弁側にはキャビティが形成され、燃料噴射弁により圧縮行程後半に噴射される燃料のピストン頂面への衝突を抑制するようにしている。
【００１５】
本発明による請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、ピストン頂面の吸気弁側の周囲部を隆起させるようになっており、この隆起部によって圧縮比を高めることができる。また、均質燃焼時において、タンブル流と共にピストン頂面に沿って進行した後にピストン頂面の吸気弁側に留まる燃料が、隆起部によってシリンダボアへ衝突し難くなり、シリンダボアへの燃料付着に伴うエンジンオイルの希釈を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１から３は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図である。図１は吸気行程末期の均質燃焼のための燃料噴射時期を示し、図２は燃料噴射後の圧縮行程前半を示し、図３は圧縮行程末期の点火時期を示している。これらの図において、１は気筒上部略中心に配置されて気筒内へ直接的に燃料を噴射するための燃料噴射弁であり、２は燃料噴射弁１近傍に配置された点火プラグである。図示されていないが、図１から３において、気筒上部の右側には二つの吸気弁が配置されており、左側には二つの排気弁が配置されている。
【００１７】
本実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関は、燃料噴射弁１により吸気行程末期（例えば、燃料噴射終了クランク角度を吸気下死点近傍とするように燃料噴射量に応じて燃料噴射開始クランク角度を設定するか、又は、燃料噴射量に関係なく吸気行程後半に燃料噴射開始クランク角度を設定する）に気筒内へ直接的に燃料を噴射することにより、圧縮行程末期の点火時期には気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を火花点火させて均質燃焼を実施する。
【００１８】
燃料噴射弁１の燃料噴射方向は、図１に示すように、シリンダボアの排気弁側へ向けられる。燃料噴射弁１から噴射される燃料Ｆの貫徹力は、燃料噴射開始から１ｍｓ後の燃料先端が６０ｍｍ以上に達するように設定される。このように強い貫徹力の燃料Ｆが気筒上部略中心からシリンダボアの排気弁側へ向けて斜め下方向に噴射されると、気筒内に形成されたタンブル流Ｔを燃料の貫徹力により強めることができる。こうして強められたタンブル流Ｔは圧縮行程後半まで確実に持続し、圧縮行程末期の点火時期には気筒内に乱れを発生させ、混合気の燃焼速度を速めることができる。
【００１９】
本実施形態において、均質燃焼の空燃比は理論空燃比よりリーンとされて（好ましくは、ＮＯXの生成量が抑制されるリーン空燃比とされる）、燃料消費を抑制するようにしているために、燃焼が緩慢となり易く、前述のようにして燃焼速度を速めることは特に有効である。しかしながら、高い機関出力が必要な機関高負荷時には、均質燃焼の空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比としても良く、この場合においても燃焼速度を速めることは有効である。
【００２０】
ところで、前述のように吸気行程末期に噴射された燃料の多くＦ１は、図２に示すように、噴射直後の圧縮行程前半において、気化しながら、タンブル流と共にシリンダボアの排気弁側に沿って下降した後にピストン３の頂面に沿って進行し、次いで、シリンダボアの吸気弁側に沿って上昇し、最終的には、気筒内空間の吸気弁側及び排気弁側にほぼ二分されて分散する。しかしながら、一部の液状燃料Ｆ２は、ピストン３の頂面に沿って進行した後に、タンブル流と共に上昇せずに、ピストン３の頂面の吸気弁側に留まってしまう。
【００２１】
この液状燃料Ｆ２は、圧縮行程の時間を利用して点火時期までには気化するが、そのままでは、点火時期における気筒内の混合気濃度は、吸気弁側において意図するより濃厚となり、排気弁側において意図するより希薄となり、不均一となる。このような混合気濃度の不均一は、未燃燃料の排出量を増加させると共に発生出力を低下させる。
【００２２】
本実施形態では、図１から３に示すように、ピストン３の頂面を傾斜させて排気弁側を高く吸気弁側を低くしており、それにより、圧縮行程末期の気筒内空間を排気弁側に比較して吸気弁側を大きくしている。こうして、図３に示すように、点火時期において、気筒内の吸気弁側の混合気Ｍ１の濃度と、排気弁側の混合気Ｍ２の濃度とをほぼ均一にすることができ、良好な均質燃焼を実現することができる（実際的には、混合気Ｍ１とＭ２との境界が存在するわけではない）。
【００２３】
本実施形態では、ピストン３の頂面を傾斜させて、圧縮行程末期の気筒内空間を排気弁側に比較して吸気弁側を大きくしているが、ピストン３の頂面に傾斜でなく段部を形成して排気弁側を高く吸気弁側を低くするようにしても良い。また、シリンダヘッドの高さ（傾斜なく平らなピストン頂面からの距離）を排気弁側に比較して吸気弁側を高くすることによっても、圧縮行程末期の気筒内空間を排気弁側に比較して吸気弁側を大きくすることができる。
【００２４】
また、本実施形態において、ピストン３の頂面の吸気弁側の周囲部を隆起させるようになっており、この隆起部３ａによって圧縮比を高めることができる。また、タンブル流と共にピストン頂面に沿って進行した後にピストン頂面の吸気弁側に留まる液状燃料Ｆ２が、隆起部３ａによってシリンダボアへ衝突し難くなり、シリンダボアへの燃料付着に伴うエンジンオイルの希釈を抑制することができる。
【００２５】
隆起部３ａは、ピストン３の頂面の吸気弁側の周囲部において、二つの吸気弁の間及び二つの排気弁の間を通る中心縦平面の近傍だけに設けられて良く、また、ピストン３の頂面の吸気弁側の周囲部全体に設けられていても良く、また、ピストン３の頂面の周囲部全体に設けられていても良い。
【００２６】
ところで、特に低負荷時のように高い機関出力が必要でない時には、均質燃焼ではなく、点火プラグ近傍だけに可燃混合気を形成して、これを着火燃焼させる成層燃焼を実施した方が燃料消費を低減することができる。そのためのもう一つの実施形態が図４に示されている。本実施形態において、燃料噴射弁１の近傍の点火プラグ２’は、特に排気弁側に配置すると共に、気筒内へ比較的大きく突出させ、燃料噴射弁１からシリンダボアの排気弁側へ向けて噴射される燃料の一部が、点火ギャップを通過するようにする。
【００２７】
それにより、図４に示すように圧縮行程後半に燃料噴射弁１により噴射される燃料Ｆ’は、圧縮行程後半の高圧の吸気との摩擦により容易に気化して可燃混合気となり、この可燃混合気内に点火プラグ２’の点火ギャップを位置させることができる。こうして、圧縮行程末期の点火時期において、点火プラグ２’により可燃混合気を着火させることにより成層燃焼を実現することができる。
【００２８】
このような成層燃焼時において、ピストン３’の頂面は前述したように排気弁側が高くされているために、そのままでは、圧縮行程後半に噴射される燃料がピストン３’の頂面に衝突し易い。圧縮行程後半においてピストン頂面に衝突して付着する燃料の多くは、点火までの時間が短いために気化し難く、燃焼に寄与せずに未燃燃料として排出されるだけであるために、本実施形態では、図４に示すように、ピストン３’の頂面の排気弁側にキャビティ３ｂを形成し、燃料噴射弁１により圧縮行程後半に噴射される燃料Ｆ’のピストン頂面への衝突を抑制するようにしている。
【００２９】
燃料噴射弁１から噴射される燃料噴霧の形状は、任意に設定可能であり、例えば、中実又は中空円錐形状、又は、中実柱形状としても良い。また、スリット状噴孔から噴射される比較的厚さの薄い略扇形状燃料噴霧としても良い。また、円弧状スリット噴孔や複数の直線スリット噴孔の組み合わせにより、比較的厚さの薄い円弧状断面又は折れ線状断面の燃料噴霧としても良い。いずれにしても燃料噴霧が前述したような強い貫徹力を有して、気筒内のタンブル流を加速させるようにすることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す吸気行程末期の概略縦断面図である。
【図２】図１の火花点火内燃機関の圧縮行程前半の概略縦断面図である。
【図３】図１の火花点火内燃機関の圧縮行程末期の概略縦断面図である。
【図４】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関のもう一つの実施形態を示す圧縮行程後半の概略縦断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１    燃料噴射弁
２，２’    点火プラグ
３，３’    ピストン
Ｔ    タンブル流
Ｆ，Ｆ’    噴射燃料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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