(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒内にタンブル流を導入する２つの吸気ポートと、
気筒内に燃料を噴射するインジェクタと、
気筒内の混合気に点火する点火栓と、
気筒内から排気を排出する２つの排気ポートと、
を備える直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、
ピストンとの間で燃焼室を画成する燃焼室天井壁を前記２つの吸気ポートが開口する吸気ポート側傾斜面と前記２つの排気ポートが開口する排気ポート側傾斜面によって構成し、
前記２つの吸気ポートの開口部と前記２つの排気ポートの開口部とによって囲まれる燃焼室中央部に前記インジェクタの先端を配置し、
前記インジェクタの先端より吸気側であり、前記２つの吸気ポートと前記２つの排気ポートとの間で前記インジェクタに隣接する位置であって、前記インジェクタから噴射される燃料噴霧の形成範囲外となる位置に前記点火栓の先端を配置し、
前記２つの吸気ポートから気筒内に流入する吸気が前記排気ポート側傾斜面に沿って下降した後にピストン頂面上へと進んで旋回するタンブル流を生起するように前記２つの吸気ポートをシリンダ中心線に対して傾斜させ、
前記ピストンの頂面に前記燃料噴霧を含む前記タンブル流を旋回させる凹状に窪むキャビティを形成し、
前記キャビティに、前記吸気ポート側の端部が前記点火栓のほぼ直下となるように前記点火栓の先端に向けて傾斜するガイド部を形成した、
ことを特徴とする直接筒内噴射式火花点火エンジン。
【請求項２】
前記キャビティを排気ポート側傾斜面に連接するシリンダ壁に向けて開放させて形成したことを特徴とする請求項１に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジン。
【請求項３】
前記ピストンの頂面に対するガイド部の稜線をインジェクタの燃料噴射範囲を囲むように湾曲させて形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジン。
【請求項４】
前記ピストンの頂面を燃焼室天井壁に沿って傾斜させて形成したことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の直接筒内噴射式火花点火エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて吸気系の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
点火栓の近傍に燃料を集める混合気の成層化をはかるため、気筒内にインジェクタ（燃料噴射弁）を臨ませ、気筒内に直接に燃料を噴射するようにした直接筒内噴射式火花点火エンジンがある。
【０００３】
従来の直接筒内噴射式火花点火エンジンとして、例えば特開平６−２０７５４２号公報に開示しているように、吸気ポートをシリンダ壁に沿って直立させるものがある。
【０００４】
直立した吸気ポートから気筒内に流入した吸気は、シリンダ壁に沿って下降した後、ピストン頂面に沿って旋回する逆タンブルを生起する。
【０００５】
インジェクタから気筒内に噴射された燃料は、この逆タンブルによって旋回する過程で、その微粒化および気化が進み、点火栓に液状燃料が付着することを防止し、失火を無くして安定した燃焼性が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の直接筒内噴射式火花点火エンジンにあっては、直立した吸気ポートがシリンダヘッドの上部に貫通して設けられる構造のため、インテークマニホールドをシリンダヘッドの上部に接続する必要があり、エンジンの全高が大きくなるという問題点が考えられる。
【０００７】
また、シリンダヘッドに直立する吸気ポートを備えるため、シリンダヘッドの燃焼室壁のまわりに形成されるウォータジャケットの配置自由度が小さくなるという問題点が考えられる。
【０００８】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、直接筒内噴射式火花点火エンジンに適した燃焼室構造を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンは、気筒内にタンブル流を導入する２つの吸気ポートと、気筒内に燃料を噴射するインジェクタと、気筒内の混合気に点火する点火栓と、気筒内から排気を排出する２つの排気ポートと、を備える直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、ピストンとの間で燃焼室を画成する燃焼室天井壁を２つの吸気ポートが開口する吸気ポート側傾斜面と２つの排気ポートが開口する排気ポート側傾斜面によって構成し、２つの吸気ポートの開口部と２つの排気ポートの開口部とによって囲まれる燃焼室中央部にインジェクタの先端を配置し、インジェクタの先端より吸気側であり、２つの吸気ポートと２つの排気ポートとの間でインジェクタに隣接する位置であって、インジェクタから噴射される燃料噴霧の形成範囲外となる位置に前記点火栓の先端を配置し、２つの吸気ポートから気筒内に流入する吸気が排気ポート側傾斜面に沿って下降した後にピストン頂面上へと進んで旋回するタンブル流を生起するように２つの吸気ポートをシリンダ中心線に対して傾斜させ、ピストンの頂面に燃料噴霧を含むタンブル流を旋回させる凹状に窪むキャビティを形成し、キャビティに、吸気ポート側の端部が点火栓のほぼ直下となるように点火栓の先端に向けて傾斜するガイド部を形成する。
【００１０】
請求項２に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンは、請求項１に記載の発明において、
前記キャビティを排気ポート側傾斜面に連接するシリンダ壁に向けて開放させる。
【００１１】
請求項３に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンは、請求項１または２に記載の発明において、
前記ピストンの頂面に対するガイド部の稜線をインジェクタの燃料噴射範囲を囲むように湾曲させて形成する。
【００１２】
請求項４に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンは、請求項１から３のいずれか一つに記載の発明において、
前記ピストンの頂面を燃焼室天井壁に沿って傾斜させる。
【００１３】
【作用】
請求項１に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、吸気バルブが開かれるのに伴って吸気ポートから気筒内に空気が吸入される。ピストンが下降する吸入行程中ないしはピストンが上昇する圧縮行程中にインジェクタが開弁し、燃焼室に燃料が噴射される。吸気ポートを通って気筒内に吸入された空気がピストンで圧縮された状態で、点火栓を介して燃料を着火燃焼させる。燃焼したガスはピストンを下降させてクランクシャフトを介して回転力を取り出した後、ピストンが上昇する排気行程中に排気バルブが開かれるのに伴って各排気ポートから排出される。これらの各行程が連続して繰り返される。
【００１４】
吸気ポートを通って気筒内に流入する吸気流は、排気ポート側傾斜面およびシリンダ壁に沿って下降した後にピストン頂面上へと進んで旋回するタンブルを生起する。
【００１５】
一方、インジェクタから気筒内に噴射された燃料は、このタンブルと共に旋回するが、インジェクタはタンブルに対して点火栓より下流側に位置しているため、点火栓に液状燃料が直接的に付着することを回避し、失火を起こすことを防止できる。
【００１６】
インジェクタから噴射された燃料がタンブルによってピストンのキャビティに沿って旋回する過程でピストンによって加熱され、その微粒化および気化が進む。
【００１７】
キャビティのガイド部は点火栓に向けて傾斜しているため、キャビティ上においてタンブルと共に旋回する燃料噴霧は、ガイド部に沿って点火栓に向けて上昇する。これにより、濃混合気が点火栓の近傍に集められ、混合気の成層化がはかれる。
【００１８】
こうして燃料を点火栓の近傍に集中させることにより、着火が確実に行われる。この結果、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。
【００１９】
タンブルを生起するように吸気ポートをシリンダ中心線に対して大きく傾斜させ、その上流端がシリンダヘッドの側壁部に開口する構造のため、インテークマニホールドをシリンダヘッドの側壁部に接続することができる。この結果、シリンダヘッドの上部を貫通する直立形の吸気ポートを備える従来装置に比べて、エンジンの高さを小さくするとともに、シリンダヘッドの燃焼室壁のまわりに形成されるウォータジャケットの配置自由度を大きくすることができる。
【００２０】
請求項２に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、キャビティは排気ポート側傾斜面に連接するシリンダ壁に向けて開放して形成されているため、吸気ポートから導かれる吸気が排気ポート側傾斜面およびシリンダ壁に沿って下降した後にキャビティへと円滑に進み、燃焼室の中央部に強いタンブルを生起することができる。
【００２１】
こうして気筒内に強いタンブルが生起されることにより、インジェクタから気筒内に噴射された燃料を点火栓の近傍に集める混合気の成層化がはかれるとともに、タンブルのガス流動により火炎の伝播が促される。この結果、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００２２】
請求項３に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、ピストン頂面に対するガイド部の稜線がインジェクタの燃料噴射範囲を囲むように湾曲しているため、ガイド部を介して濃混合気を燃焼室の中央部へと有効に集められる。
【００２３】
請求項４に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、ピストンの頂面を燃焼室天井壁に沿って傾斜させたため、ピストンが上死点に到達するとき、ピストンと燃焼室天井壁の間に画成される燃焼室の容積をキャビティに集中させて、高圧縮比化がはかれる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２５】
図１、図３に示すように、シリンダヘッド２に形成された燃焼室天井壁２０とピストン１の間に燃焼室３が画成される。
【００２６】
ペントルーフ型に傾斜する燃焼室天井壁２０には２つの吸気ポート２１と２つの排気ポート２２が互いに対向して開口している。すなわち、燃焼室天井壁２０は、各吸気ポート２１が開口する吸気ポート側傾斜面２３と各排気ポート２２が開口する排気ポート側傾斜面２４によって構成される。
【００２７】
燃焼室天井壁２０の中央部から燃焼室３に臨むインジェクタ６と点火栓４が設けられる。インジェクタ６と点火栓４を挟むようにして２つの吸気バルブ７と２つの排気バルブ（図示せず）が互いに対向して設けられる。
【００２８】
インジェクタ６は２つの排気バルブの側方で、かつ両排気バルブの中間に位置して燃焼室３に臨んでいる。インジェクタ６はシリンダ中心線に略平行に配置される。
【００２９】
点火栓４は２つの吸気バルブ７の側方で、かつ両吸気バルブ７の中間に位置して燃焼室３に臨んでいる。すなわち、点火栓４は燃焼室天井壁２０の各吸気ポート２１と各排気ポート２２の間でインジェクタ６より各吸気ポート２１に近接する位置から燃焼室３に臨む。
【００３０】
各吸気ポート２１から燃焼室３に流入する吸気を図２に矢印で示すように排気ポート側傾斜面２４およびシリンダ壁５に沿って下降させてタンブルを生起するタンブル生起手段が備えられる。このタンブル生起手段として、各吸気ポート２１は、その通路中心が図１の正面図上において直線状に延び、各排気ポート側傾斜面２４およびシリンダ壁５に対向するように、シリンダ中心線に対して大きく傾斜している。
【００３１】
ピストン１の頂面１０には凹状に窪むキャビティ１１が形成される。キャビティ１１はピストン頂面１０の中央部から排気ポート側傾斜面２４の下方に配置される。
【００３２】
インジェクタ６はその噴口がキャビティ１１の上方に位置し、噴口から噴射される燃料噴霧がキャビティ１１に向けて放射状に拡がるようになっている。
【００３３】
キャビティ１１に点火栓４に向けて傾斜するガイド部１２が形成される。インジェクタ６から噴射された燃料噴霧は燃焼室３に生起されるタンブルと共に旋回し、ガイド部１２に沿って上昇することにより、濃混合気が点火栓４の近傍に集められるようになっている。
【００３４】
ピストン頂面１０に対するガイド部１２の稜線１３はインジェクタ６の燃料噴射範囲を囲むように湾曲して形成される。
【００３５】
キャビティ１１は排気ポート側傾斜面２４およびシリンダ壁５に向けて開放して形成される。すなわち、ピストン頂面１０に対するキャビティ１１の稜線１３は、くの字形に湾曲し、その両端部１４がピストン１の外周に達している。
【００３６】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００３７】
各吸気バルブ７が開かれるのに伴って各吸気ポート２１から気筒内に空気が吸入される。このピストン１が下降する吸入行程中ないしはピストン１が上昇する圧縮行程中にインジェクタ６が開弁し、燃焼室３に燃料が噴射される。なお、図１は圧縮上死点前６０°（６０°ＢＴＤＣ）にあるときの断面図であり、本実施形態ではこのタイミングでインジェクタ６から図示したように燃料噴霧がキャビティ１１に向けて放射状に噴射される。
【００３８】
各吸気ポート２１を通って気筒内に吸入された空気がピストンで圧縮された状態で、点火栓４を介して燃料を着火燃焼させる。燃焼したガスはピストン１を下降させてクランクシャフトを介して回転力を取り出した後、ピストン１が上昇する排気行程中に排気バルブが開かれるのに伴って各排気ポート２２から排出される。これらの各行程が連続して繰り返される。
【００３９】
各吸気ポート２１を通って気筒内に流入する吸気流は、図２に白抜きの矢印で示すように、排気ポート側傾斜面２４およびシリンダ壁５に沿って下降した後にピストン頂面１０上へと進んで旋回するタンブルを生起する。
【００４０】
一方、インジェクタ６から気筒内に噴射された燃料は、このタンブルによって一旦下降するため、点火栓４に液状燃料が直接的に付着することを回避し、失火を起こすことを防止できる。
【００４１】
インジェクタ６から噴射された燃料がタンブルによってピストン１のキャビティ１１に沿って旋回する過程でピストン１によって加熱され、その微粒化および気化が進む。
【００４２】
キャビティ１１のガイド部１２は点火栓４に向けて傾斜しているため、キャビティ１１上においてタンブルと共に旋回する燃料噴霧は、ガイド部１２に沿って燃焼室３の中央部へと上昇する。これにより、図２に示すように、濃混合気が点火栓４の近傍に集められ、混合気の成層化がはかれる。
【００４３】
こうして燃料を点火栓４の近傍に集中させることにより、着火が確実に行われる。この結果、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。
【００４４】
キャビティ１１は排気ポート側傾斜面２４およびシリンダ壁５に向けて開放して形成されているため、各吸気ポート２１から導かれる吸気が排気ポート側傾斜面２４およびシリンダ壁５に沿って下降した後にキャビティ１１へと円滑に進み、燃焼室３の中央部に強いタンブルを生起することができる。
【００４５】
こうして気筒内に強いタンブルが生起されることにより、インジェクタ６から気筒内に噴射された燃料を点火栓４の近傍に集める混合気の成層化がはかれるとともに、タンブルのガス流動により火炎の伝播が促される。この結果、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００４６】
なお、他の実施形態として、図６、図７に示すように、キャビティ１１をクランク軸と平行な溝状に形成することも考えれる。
【００４７】
さらに他の実施形態として、図８、図９に示すように、キャビティ１１を球面状に窪む形状とすることも考えれる。
【００４８】
しかし、いずれの場合も、キャビティ１１が排気ポート側傾斜面に連接するシリンダ壁に向けて開放していないため、吸気ポートから導かれる吸気が排気ポート側傾斜面およびシリンダ壁に沿って下降した後にキャビティ１１へと進む勢力が弱まり、強いタンブルを生起することができない。
【００４９】
第一の実施形態において、ピストン頂面１０に対するガイド部１２の稜線１３はインジェクタ６の燃料噴射範囲を囲むように湾曲しているため、図４に示すように、ガイド部１２を介して濃混合気を燃焼室３の中央部へと有効に集められる。
【００５０】
なお、他の実施形態として、図１０、図１１に示すように、ピストン頂面１０に対するガイド部１２の稜線１３をクランク軸と平行な直線状に形成し、キャビティ１１を排気ポート側傾斜面に連接するシリンダ壁に向けて開放することも考えれる。
【００５１】
しかし、この場合、タンブルの勢力を高められるものの、タンブルと共に旋回する燃料がシリンダ中心線方向（エンジン前後方向）に大きく拡散し、濃混合気を燃焼室の中央部へと有効に集められない。
【００５２】
さらに他の実施形態として、図１２、図１３に示すように、ピストン頂面１０をペントルーフ型に傾斜させて形成してもよい。
【００５３】
ピストン頂面１０は、同じくペントルーフ型に傾斜した燃焼室天井壁１０の吸気ポート側傾斜面２３に対向して傾斜する傾斜面１５と、排気ポート側傾斜面２４に対向して傾斜する傾斜面１６によって構成される。
【００５４】
この場合、ピストン１が上死点に到達するとき、ピストン１と燃焼室天井壁１０の間に画成される燃焼室３の容積をキャビティ１１に集中させて、高い圧縮比が得られる。
【００５５】
さらに他の実施形態として、図１４、図１５に示すように、ピストン頂面１０に対するキャビティ１１の稜線１３を、Ｕの字形に湾曲させて形成してもよい。稜線１３は、その両端部１４がクランク軸と略直交し、ピストン１の外周に達する。
【００５６】
この場合、キャビティ１１は排気ポート側傾斜面に連接するシリンダ壁に向けて開放して形成されているため、各吸気ポートから導かれる吸気が排気ポート側傾斜面２４およびシリンダ壁５に沿って下降した後にキャビティ１１へと円滑に進み、燃焼室３の中央部に強いタンブルを生起することができる。
【００５７】
いずれの実施形態においても、各吸気ポート２１をシリンダ中心線に対して大きく傾斜し、その上流端がシリンダヘッド２の側壁部に開口する構造のため、インテークマニホールドをシリンダヘッド２の側壁部に接続することができる。この結果、シリンダヘッドの上部を貫通する直立形の吸気ポートを備える従来装置に比べて、エンジンの高さを低くするとともに、シリンダヘッド２の燃焼室天井壁１０のまわりに形成されるウォータジャケット等の配置自由度を大きくすることができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンによれば、キャビティ上においてタンブルと共に旋回する燃料噴霧が、ガイド部に沿って点火栓に向けて上昇するため、混合気の成層化がはかれ、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００５９】
タンブルを生起するように吸気ポートをシリンダ中心線に対して大きく傾斜させ、吸気ポートの上流端がシリンダヘッドの側壁部に開口する構造のため、シリンダヘッドの上部を貫通する直立形の吸気ポートを備える従来装置に比べて、エンジンの高さを小さくするとともに、シリンダヘッドの燃焼室壁のまわりに形成されるウォータジャケットの配置自由度を大きくすることができる。
【００６０】
請求項２に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンによれば、キャビティは排気ポート側傾斜面に連接するシリンダ壁に向けて開放して形成されているため、吸気ポートから導かれる吸気が排気ポート側傾斜面およびシリンダ壁に沿って下降した後にキャビティへと円滑に進み、燃焼室の中央部に強いタンブルを生起し、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００６１】
請求項３に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンによれば、ピストン頂面に対するガイド部の稜線がインジェクタの燃料噴射範囲を囲むように湾曲しているため、ガイド部を介して濃混合気を燃焼室の中央部へと有効に集められ、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００６２】
請求項４に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンによれば、ピストンの頂面を燃焼室天井壁に沿って傾斜させたため、ピストンが上死点に到達するとき、ピストンと燃焼室天井壁の間に画成される燃焼室の容積をキャビティに集中させて、エンジンの高圧縮比化がはかれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す吸入行程におけるエンジンの概略正面図。
【図２】同じく点火時期タイミングにおけるエンジンの概略正面図。
【図３】同じく燃焼室天井壁の概略平面図。
【図４】同じくピストンの概略平面図。
【図５】同じくピストンの概略正面図。
【図６】他の実施形態を示すピストンの概略平面図。
【図７】同じくピストンの概略正面図。
【図８】さらに他の実施形態を示すピストンの概略平面図。
【図９】同じくピストンの概略正面図。
【図１０】さらに他の実施形態を示すピストンの概略平面図。
【図１１】同じくピストンの概略正面図。
【図１２】さらに他の実施形態を示すピストンの概略平面図。
【図１３】同じくピストンの概略正面図。
【図１４】さらに他の実施形態を示すピストンの概略平面図。
【図１５】同じくピストンの概略正面図。
【符号の説明】
１  ピストン
２  シリンダヘッド
３  燃焼室
４  点火栓
５  シリンダ壁
６  インジェクタ
１０  ピストン頂面
１１  キャビティ
１２  ガイド部
１３  稜線
１５  ピストン傾斜面
１６  ピストン傾斜面
２０  燃焼室天井壁
２１  吸気ポート
２２  排気ポート
２３  吸気ポート傾斜面
２４  排気ポート傾斜面
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
0003896605.tif 000012
【図１２】
0003896605.tif 000013
【図１３】
0003896605.tif 000014
【図１４】
0003896605.tif 000015
【図１５】
0003896605.tif 000016