(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室上部に燃料噴射弁と点火プラグとを配設し、ピストン冠面に前記燃料噴射弁からの燃料噴霧を受け止めるようキャビティを設けた直噴火花点火式内燃機関において、
前記キャビティは、深さ方向に向けて開口が小さくなるように、少なくとも側面が略円錐状に形成され、
前記燃料噴霧は中空円錐状に形成され、その中心線が前記キャビティの中心線と略一致すると共に、前記中空円錐状の燃料噴霧は、圧縮行程での燃料噴射時期によらず、前記キャビティの側面と所定角度で衝突することを特徴とする直噴火花点火式内燃機関。
【請求項２】
前記点火プラグの点火位置は、前記ピストンの圧縮上死点において前記キャビティの深さの２分の１より下側に位置することを特徴とする請求項１記載の直噴火花点火式内燃機関。
【請求項３】
前記燃料噴霧は中空円錐状における円周方向の一部が切り欠かれた形状であり、この切り欠かれた位置に前記点火プラグが臨んでいることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の直噴火花点火式内燃機関。
【請求項４】
燃料噴射時期は機関負荷に応じて設定され、高負荷時ほど早く、低負荷時ほど圧縮上死点に近いことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内に燃料を直接噴射して火花点火燃焼を行う直噴火花点火式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から直噴火花点火式内燃機関において、ピストン冠面に形成されたキャビティに燃料を噴射して点火プラグの点火位置に着火性の良好な混合気（以下、可燃混合気という）を形成し、燃焼を行うものが知られている。
この例として、特開平１１−８２０２８号公報及び特開２０００−２２７０２８号公報が開示されている。
【０００３】
特開平１１−８２０２８号公報には、燃焼室の上部に燃料噴射弁と点火プラグが配設され、ピストン冠面に形成されたキャビティに燃料噴射弁からの燃料噴霧を衝突させる直噴火花点火式内燃機関が開示されている。これは、キャビティが略円筒状の周壁面と、周壁面と曲面状に形成される底壁面と、底壁面から鉛直上方に突出する隆起部とから形成されている。そのため、中空円錐状に噴霧された燃料が周壁面に鋭角で衝突して底壁面へ進行し、隆起部に集中しながら上昇する。そして点火プラグの点火位置に可燃混合気を形成して燃焼を行う構成である。
【０００４】
特開２０００−２２７０２８号公報には、点火プラグと、ピストン頂面に形成されたキャビティと、キャビティ内に燃料を比較的厚さの薄い略扇状に噴射する燃料噴射弁を備える直噴火花点火式内燃機関が開示されている。これは、燃料噴射弁に対向するキャビティの対向側壁が、平面視において、燃料噴射弁の噴孔位置と点火プラグ近傍の位置とを焦点とする楕円形状の一部からなる部分を有しており、対向側壁には燃料をキャビティ内側方向に偏向させる返し部が設けられる構成である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料噴射時期は、内燃機関の回転数と要求される負荷に応じて異なり、燃料噴射弁からの燃料噴霧が中空円錐状に噴霧される場合には、キャビティの周壁面に衝突する位置及び角度が異なることとなる。例えば、高負荷時においては燃料噴射の開始時期が早くなるために、キャビティの周壁面に衝突する角度が低負荷時の場合と異なる。
【０００６】
しかし、前述の公報に記載の発明では、高負荷時になり、燃料噴射の開始時期が早くなった場合には、キャビティの周壁面に所望の位置や角度で燃料を衝突させられなくなる恐れがある。
特開平１１−８２０２８号公報に記載の発明では、燃料の噴射角度を大きくすると、負荷の上昇によって噴射開始時期が早まった場合にキャビティで燃料噴霧が受け止められない。燃料の噴射角度を小さくすると、キャビティを小さくしない限り、燃料噴霧がキャビティに垂直に近い角度で衝突し、厚い液膜が生成されることとなる。そのために煤や燃焼室デポジットが多く生成されるばかりでなく、未燃ＨＣの増大を招き、熱効率も低下することが懸念される。また、キャビティを小さくした場合、高負荷時に過濃混合気が生成されやすくなるためにスモークの発生を引き起こしやすい。
【０００７】
特開２０００−２２７０２８号公報に記載の発明では、燃料噴霧の進行方向がピストンの摺動方向と異なるため、噴射方向を下向きにしない限り、燃料噴射の開始時期が早まった場合にはキャビティで燃料噴霧を受け止められなくなる。しかし、燃料噴射方向を大きく下向きとした場合には、シリンダボアへ燃料が衝突するためにオイル希釈を引き起こし、大量の未燃燃料が発生すること等が懸念される。さらに下向きに燃料噴射が行われた場合には、燃焼室上部の中央に配設された点火プラグの点火位置で可燃混合気が形成されず、成層燃焼が行えなくなる恐れがある。
【０００８】
そのため、上記２つの公報では点火プラグの点火位置に可燃混合気を形成できない場合があり、意図したような状態での燃焼が行えなくなる恐れがある。又は或る限られた時期にのみ可燃混合気を形成する燃料噴射ができるため、意図したような状態での燃焼を行える運転領域が制限され、燃料消費率の向上や排ガスの低減が十分に行えない恐れがある。
【０００９】
本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、燃料噴射時期が変化しても、噴射された燃料が可燃混合気を形成し、所望の状態での燃焼を行うことができる直噴火花点火式内燃機関を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そのため本発明にかかる直噴火花点火式内燃機関では、ピストン冠面に形成されるキャビティは、深さ方向に向かい開口が小さくなるように、少なくとも側面が略円錐状に形成される。そして、燃料噴射弁からの燃料噴霧は中空円錐状に形成され、その中心線がキャビティの中心線と略一致すると共に、中空円錐状の燃料噴霧は、圧縮行程での燃料噴射時期によらず、キャビティの側面と所定角度で衝突するようにした。
【００１１】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料噴射時期に関わらず、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧をキャビティで受け止めることができ、可燃混合気を形成して所望の状態での燃焼を行うことができるという効果がある。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る直噴火花点火式内燃機関の断面図である。図２は、図１のＸ−Ｘ線における断面図である。図３は、燃料噴射弁を示す図であり、（イ）は正面図、（ロ）は先端の底面図である。図４は、ピストンを示す図であり、（イ）は平面図、（ロ）は断面図である。
【００１３】
内燃機関１は、シリンダヘッド２とシリンダブロック３とピストン４とから画成される燃焼室５を備え、吸気バルブ６及び吸気ポート７によって燃焼室５に新気を導入し、排気バルブ８及び排気ポート９によって燃焼室５から排気を排出する構成である。燃焼室５の上部には、燃料噴射弁１０と点火プラグ１１を配設している。
【００１４】
本実施形態において、燃焼室５はペントルーフ状に形成され、燃焼室５の上部の中央には燃料噴射弁１０が下向きに配設され、燃料噴射弁１０の近傍に点火プラグ１１が斜め下向きに配設されている。燃料噴射弁１０は、その中心線がシリンダ中心線と略一致している。
燃料噴射弁１０は、本実施形態においては図３に示すようなマルチホールインジェクタを用いている。燃料噴射弁１０の先端部は中心線方向下側に円錐状に突出して形成し、その円錐面の円周方向所定の範囲に複数の噴口１０ａが所定の間隔で形成されており、円周方向の一部の範囲においては噴口１０ａが形成されていない。このため、燃料噴射弁１０からの燃料噴霧は略中空円錐状に噴霧され、円周方向の一部が切り欠かれた形状をする。そして図１、２に示すように、点火プラグ１１は、燃料噴霧の切り欠かれた部分の位置に臨んで配設されている。
【００１５】
再び図１を参照して、燃料噴射弁１０の下方には、シリンダ内を往復動するピストン４が配置されている。ピストン４の上部は燃焼室５の形状と同様にペントルーフ状に形成されており、ピストン４の冠面には、深さ方向に向かい開口が小さくなるようにキャビティ１２が形成されている。
本実施形態において、キャビティ１２はピストン４の冠面から深さ方向に向けて側面が略円錐状に形成しており、キャビティ１２の中心線が燃料噴霧の中心線と略一致している。そして、キャビティ１２の中心線がシリンダ中心線と略一致している。
【００１６】
以上の構成を備える内燃機関１について、燃料噴射弁１０から燃料噴射が行われる場合の説明をする。ここで、燃料噴射時期は機関負荷に応じて設定されており、高負荷時ほど早く、低負荷時ほど圧縮上死点に近くなるよう設定されている。
図５は、内燃機関が低負荷時にある場合において圧縮行程で燃料噴射を行っている状態を示す図であり、（イ）は燃料噴射開始直後の状態を示す断面図、（ロ）は（イ）の状態より圧縮した状態を示す断面図、（ハ）は圧縮上死点にある状態を示す断面図である。
【００１７】
燃料噴射は、燃料噴射弁１０からピストン４のキャビティ１２に向けて行われる（図５（イ）参照）。前述の通り、燃料噴射弁１０の先端部は円周方向所定の範囲で噴口１０ａが形成されているため、燃料噴霧は略中空円錐状に形成され、円周方向の一部の範囲において切り欠かれて形成される（図２、図３（ロ）参照）。点火プラグ１１は、燃料噴霧の切り欠かれた位置に配設されているため、燃料噴射しても噴霧が直接に衝突することはない。
【００１８】
本実施形態において、キャビティ１２の側面が略円錐状に形成され、キャビティ１２の中心線と燃料噴霧の中心線が一致した状態でピストン４が摺動するため、燃料噴射弁１０から中空円錐状に噴射される燃料噴霧を常に所定の角度でキャビティ１２に衝突させる。
衝突した燃料噴霧はキャビティ１２の側面に薄い液膜を生成しつつ、微粒化され周囲の空気を巻き込みながらキャビティ１２の下部に集約し、キャビティ１２の下部において再び燃料噴霧同士が衝突する。この時、燃料噴霧の一部はキャビティ１２の下部で跳ね返り、一部は液膜がピストン４の熱により順次気化され、可燃混合気をキャビティ１２の下部に形成する（図５（ロ）参照）。
【００１９】
そして、図５（ハ）に示すようにピストン４が圧縮上死点に達する際には、点火プラグ１１の点火部１１ａはキャビティ１２の深さＤの２分の１より下側に位置する。そして、点火プラグ１１は可燃混合気に点火して燃焼を行う。
図６は、内燃機関が高負荷時にある場合において圧縮行程で燃料噴射を行っている状態を示す図であり、（イ）は燃料噴射開始直後の状態を示す断面図、（ロ）は（イ）の状態より圧縮した状態を示す断面図、（ハ）は圧縮上死点にある状態を示す断面図である。図６（イ）に示すように内燃機関１が高負荷時にある場合には、低負荷時にある場合（図５（イ））と比較して燃料噴射の開始時期が早くなり、燃料噴射時期が長くなる。このために、燃料噴射の開始直後においては燃料噴射がキャビティ１２の上部に衝突する。そして、ピストン４が上昇し続けて燃料噴射が終了するまでの間に噴射された燃料噴霧は、低負荷時にある場合と同様にキャビティ１２の下部に可燃混合気が形成される。
【００２０】
図６（ロ）及び（ハ）に示すように、高負荷時ほど燃料噴射の開始時期が早く、噴射時期が長いため、低負荷時にある場合と比較して、キャビティ１２内に可燃混合気が多く形成され、燃焼を行った際に高出力を得ることができる。
また本実施形態によれば、キャビティ１２が燃料噴射方向と垂直に形成されていないため、衝突した燃料噴霧がキャビティ１２の表面に厚い液膜を形成することを回避することができるという効果がある。
【００２１】
また本実施形態によれば、キャビティ１２の側面が略円錐状に形成されているため、燃料噴霧がキャビティ１２と衝突する角度を燃料噴射時期によらず所定の角度で衝突させることができるという効果がある。
また本実施形態によれば、圧縮上死点において点火プラグ１１の点火位置１１ａがキャビティ１２の深さＤの２分の１より下側に位置する構成であるため（図５（ハ）、図６（ハ）参照）、キャビティ１２で受け止めた燃料噴霧を燃焼室５の上部へ大きく旋回させる必要はなく、希薄混合気領域を生じることを抑制することができるという効果がある。そして、圧縮上死点において点火プラグ１１がピストン４に衝突することなく燃焼を行えるという効果がある。
【００２２】
また本実施形態によれば、燃料噴射弁１０から噴射される燃料噴霧は、円周方向の一部が切り欠かれており、切り欠き部の位置に点火プラグ１１が配設している。そのため、燃料噴霧が直接に点火プラグ１１に衝突することを防止することができ、プラグのかぶりや汚損を抑制しつつ燃焼が行えるという効果がある。
また本実施形態によれば、燃料噴射弁１０からの燃料噴射時期が機関負荷に応じて設定され、高負荷時ほど早く、低負荷時ほど圧縮上死点に近いため、燃料噴射の開始時期を適宜に切り替えることができるという効果がある。
【００２３】
図７は、第２の実施形態に係る直噴火花点火式内燃機関のピストンを示す図であり、（イ）は平面図、（ロ）は断面図である。
本実施形態において、キャビティ１２ａは図示の通り、底面を有し、底面から上方に向かうにつれて径方向外側に広がるように側面が形成されており、その断面はキャビティ１２ａの底面の端から開口まで傾斜して形成されている。
【００２５】
第２の実施形態においても、燃料噴射弁１０から噴射された燃料噴霧をキャビティ１２ａの側面に衝突させて微粒化することができ、可燃混合気をキャビティ１２ａの下部に形成することができるという効果がある。
なお本発明においては、キャビティ１２が略楕円円錐状に切り欠かれて形成される構成をしていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る直噴火花点火式内燃機関の断面図
【図２】図１のＸ−Ｘ線における断面図
【図３】燃料噴射弁を示す図であり、（イ）は正面図、（ロ）は先端の底面図
【図４】ピストンを示す図であり、（イ）は平面図、（ロ）は断面図
【図５】内燃機関が低負荷時にある場合において圧縮行程で燃料噴射を行っている状態を示す断面図
【図６】内燃機関が高負荷時にある場合において圧縮行程で燃料噴射を行っている状態を示す断面図
【図７】第２の実施形態に係る直噴火花点火式内燃機関の断面図
【符号の説明】
１    直噴火花点火式内燃機関
２    シリンダヘッド
３    シリンダブロック
４    ピストン
５    燃焼室
６    吸気バルブ
７    吸気ポート
８    排気バルブ
９    排気ポート
１０    燃料噴射弁
１０ａ  噴口
１１    点火プラグ
１１ａ  点火部
１２    キャビティ
【図１】
0004026406.tif 000002
【図２】
0004026406.tif 000003
【図３】
0004026406.tif 000004
【図４】
0004026406.tif 000005
【図５】
0004026406.tif 000006
【図６】
0004026406.tif 000007
【図７】
0004026406.tif 000008