(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内に嵌挿されたピストンの頂面と点火プラグが取り付けられたシリンダヘッドとの間に画成される燃焼室内に燃料噴射弁により燃料を直接噴射するようにした筒内直噴式内燃機関において、
前記ピストンの頂面の一部に前記燃料噴射弁の噴射点を中心とした等角螺旋面を呈する表面形状を有する凹部を形成し、
前記燃料噴射弁により該凹部に向けて燃料を噴射するようにしたことを特徴とする筒内直噴式内燃機関。
【請求項２】
前記凹部の等角螺旋面は、前記ピストンの位置がクランク角度で上死点前６０度から４０度の範囲の、ある特定のクランク角度のみにおいて、前記燃料噴射弁の噴射点を中心として等角となるように前記ピストンの凹部に形成されていることを特徴とする請求項１記載の筒内直噴式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内直噴式内燃機関（筒内直噴エンジン）に関し、さらに詳しくは、燃料噴射弁からピストンの頂面に形成された凹部に向けて燃料を噴射することで、点火プラグの周辺の限られた領域にのみ可燃混合気を形成して、成層希薄燃焼を実現するようにした筒内直噴式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の筒内直噴式内燃機関としては、例えば、図３に示すようなものが知られている。同図において、２１はシリンダブロックであり、シリンダブロック２１内にはピストンリングが装着されたピストン２２が摺動自在に嵌挿されている。シリンダブロック２１の上部にはシリンダヘッド２３が取り付けられており、シリンダブロック２１の内壁、ピストン２２の頂面、およびシリンダヘッド２３の下面により、燃焼室が画成される（特開平６−８１６５１号公報参照）。
【０００３】
シリンダヘッド２３には、その概略中央部に点火プラグ（点火栓）２４が取り付けられ、点火プラグ２４の外側の位置には、吸気弁２５ａにより燃焼室に選択的に連通される吸気流路２５及び図示は省略しているが排気弁により燃焼室に選択的に連通される排気流路が配置されている。シリンダヘッド２３の吸気流路２５が配置された位置のさらに外側には、燃焼室内に燃料を直接的に噴射する燃料噴射弁２６が取り付けられている。
【０００４】
シリンダブロック２１の下部には、図示は省略しているが、クランクケースが配置され、クランクケース内にはピストン２２にコネクティングロッドを介して連結されたクランクシャフトが収容されている。ピストン２２の頂面の一部には凹部２２ａが形成されている。この凹部２２ａの表面形状は、球面又は円筒面を呈するように形成されている。
【０００５】
このような構成を採用することにより、吸気行程の最終段階における逆タンブル作用によって、吸気流路２５からの吸気がシリンダブロック２１の内壁近傍から凹部２２ａの表面に沿って流れて点火プラグ２４の近傍に至るように略Ｕ字状に流動するとともに、圧縮行程で燃料噴射弁２６から噴射された噴霧２７がピストン２２の頂面の凹部２２ａに衝突して方向転換し、これらの相乗作用によって、燃料噴霧（可燃混合気）が順次、点火プラグ２４の近傍に誘導され、成層希薄燃焼が実現される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の筒内噴射式内燃機関にあっては、ピストンの頂面の一部に形成された凹部の表面形状が単なる球面あるいは円筒面となっているため、燃料噴霧がピストンの凹部の表面に衝突する際の噴霧の各部位における進行方向と衝突点における凹部の表面の接線方向とのなす角度が噴霧の部位によって異なり、噴霧がピストンに衝突した後の挙動が噴霧の部位によって異なってしまう。
【０００７】
すなわち、図４に示す例で説明すると、ピストン２２の頂面の凹部２２ａの表面形状を球面又は円筒面とした場合、噴霧２７がＡ点において凹部２２ａの表面に衝突する角度αと、噴霧２７がＢ点において凹部２２ａの表面に衝突する角度βとは異なる。
【０００８】
ここで、燃料噴射弁２６から噴射された噴霧２７がピストン２２に衝突した後には、噴霧２７が保持している運動量のうち衝突位置における凹部２２ａの表面の接線方向に平行な方向の成分のみが保存され、衝突後噴霧は凹部２２ａの表面に沿う運動をすることになるが、この際、噴霧２７の各部位における凹部２２ａとの衝突角度が噴霧２７の部位によって異なると（例えば、Ａ点では角度α、Ｂ点では角度β）、噴霧２７の部位によって衝突後の速度が異なることになる。これは点火プラグへ混合気を順次輸送するという筒内直噴式内燃機関における混合気の成層化の必要条件に鑑みて不都合な現象である。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、点火プラグへ混合気を順次輸送するという筒内直噴式内燃機関における混合気の成層化の必要条件を満足させることにより、安定した成層希薄燃焼を実現し、燃焼効率を向上することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の本発明の筒内直噴式内燃機関は、シリンダ内に嵌挿されたピストンの頂面と点火プラグが取り付けられたシリンダヘッドとの間に画成される燃焼室内に燃料噴射弁により燃料を直接噴射するようにした筒内直噴式内燃機関において、前記ピストンの頂面の一部に前記燃料噴射弁の噴射点を中心とした等角螺旋面（対数螺旋面）を呈する表面形状を有する凹部を形成し、前記燃料噴射弁により該凹部に向けて燃料を噴射するようにしたことを特徴とする。
【００１１】
この請求項１記載の本発明の筒内直噴式内燃機関によると、ピストンの頂面の凹部の表面形状を、燃料噴射弁の噴射点を中心とした等角螺旋面形状としたので、燃料噴射弁から噴射された噴霧のピストンに対する衝突角度は噴霧の部位によらず、従来よりも均一化することが可能となり、ピストンに衝突した後の噴霧の速度を噴霧の部位によらず、従来よりも均一化することが可能となる。
【００１２】
請求項２記載の本発明の筒内直噴式内燃機関は、請求項１記載の筒内直噴式内燃機関において、前記凹部の等角螺旋面は、前記ピストンの位置がクランク角度で上死点前６０度から４０度の範囲の、ある特定のクランク角度のみにおいて、前記燃料噴射弁の噴射点を中心として等角となるように前記ピストンの凹部に形成されていることを特徴とする。
【００１３】
この種の筒内直噴式内燃機関では、ピストンの位置がクランク角度で上死点前６０度から４０度の範囲にあるときに、燃料の噴射を行うのが良好な機関性能を得るために適切であるという実験的事実が存在し、通常はかかる範囲内で燃料の噴射が行われる。
【００１４】
一方、幾何学的に考えた場合、凹部の表面形状としての等角螺旋面は、燃料噴射弁により燃料が噴射される時点で、すなわち噴霧が凹部の表面に衝突する時点で、該燃料噴射弁の噴射点を中心としているのが衝突後の噴霧の速度を噴霧の部位によらず均一化するために最も望ましい。
【００１５】
従って、凹部の表面形状を、ピストンの位置がクランク角度で上死点前６０度から４０度の範囲にあるときに、燃料噴射弁の噴射点を中心とした等角螺旋面とすることにより、ピストンに衝突した後の噴霧の速度を噴霧の部位によらずさらに均一化することができる。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明の筒内直噴式内燃機関によれば、燃料噴射弁から噴射された噴霧がピストンに衝突した後の速度を従来よりも均一化することが可能であるから、点火プラグへ混合気を順次輸送するという筒内直噴式内燃機関における混合気の成層化の必要条件を満足させることが可能である。
【００１７】
また、請求項２記載の本発明の筒内直噴式内燃機関によれば、燃料噴射弁から噴射された噴霧がピストンに衝突した後の速度をほぼ一定にすることができるから、点火プラグへ混合気を順次輸送するという筒内直噴式内燃機関における混合気の成層化の必要条件を満足させることができる。
従って、安定した成層希薄燃焼が実現され、燃焼効率を向上することができるという効果がある。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の筒内直噴式内燃機関の実施形態の概略構成を示す透視図である。
【００１９】
同図において、１１はシリンダブロックであり、シリンダブロック１１内にはピストンリングが装着されたピストン１２が摺動自在に嵌挿されている。シリンダブロック１１の上部にはシリンダヘッド１３が取り付けられており、シリンダブロック１１の内壁、ピストン１２の頂面、及びシリンダヘッド１３の下面により、燃焼室が画成される。
【００２０】
シリンダヘッド１３には、その概略中央部に点火プラグ（点火栓）１４が取り付けられ、点火プラグ１４の外側の位置には、吸気弁１５ａにより燃焼室に選択的に連通される吸気流路１５及び図示は省略しているが排気弁により燃焼室に選択的に連通される排気流路が配置されている。シリンダヘッド１３の吸気流路１５が配置された位置のさらに外側には、燃焼室内に燃料を直接的に噴射する燃料噴射弁１６が取り付けられている。
【００２１】
シリンダブロック１１の下部には、図示は省略しているが、クランクケースが配置され、クランクケース内にはピストン１２にコネクティングロッドを介して連結されたクランクシャフトが収容されている。
【００２２】
ピストン１２の頂面の一部には凹部１２ａが形成されている。この凹部１２ａの表面形状は、ピストン１２の位置がクランク角度で上死点前６０度から４０度の範囲内の所定の角度にあるときに、燃料噴射弁１６の噴射点（燃料噴射口）を中心とした等角螺旋面（対数螺旋面）となるように形成されている。燃料噴射弁１６は、燃料を凹部１２ａに向けて噴射するようにシリンダヘッド１３に取り付けられている。
【００２３】
例えば、４サイクルの内燃機関の場合、ピストン１２が上死点よりわずかに前にあるときに、吸気弁１５ａが開かれ、ピストン１２が下死点に至るまで吸気行程が行われる。このとき、吸気流路１５からの吸気は逆タンブル作用によって、シリンダブロック１１の内壁近傍から凹部１２ａの表面に沿って流れ点火プラグ１４の近傍に至るように略Ｕ字状に流動する。
【００２４】
次の圧縮行程においては、ピストン１２の位置がクランク角度で上死点前６０度から４０度の範囲内の前記所定の角度にあるときに、燃料噴射弁１６から燃料が噴射される。燃料噴射弁１６から噴射された噴霧１７は、ピストン１２の頂面の凹部１２ａに衝突し、凹部１２ａの表面形状としての等角螺旋面に沿って移動し、点火プラグ１４の近傍に誘導され、点火プラグ１４の周辺の限られた領域にのみ可燃混合気が形成される。
【００２５】
所定の点火時期になると、点火プラグ１４が発火され、燃焼行程が行われ、次に排気弁が開かれて、排気行程が行われる。
本実施形態によると、燃料噴射弁１６による燃料の噴射時点において、ピストン１２の頂面の凹部１２ａの表面形状が燃料噴射弁１６の噴射点を中心とした等角螺旋面となっているので、燃料噴射弁１６により噴射された噴霧１７の各部位における進行方向と、ピストン１２の凹部１２ａの表面との衝突角度は、噴霧１７の各部位にかかわらずほぼ等しくなる。
【００２６】
例えば、図２に示されているように、噴霧１７の同図中Ａ点における進行方向とピストン１２の凹部１２ａの表面のＡ点における接線方向とのなす角度αと、噴霧１７の同図中Ｂ点における進行方向とピストン１２の凹部１２ａの表面のＢ点における接線方向とのなす角度βとは概略等しくなっている。
【００２７】
ここで、燃料噴射弁１６から噴射された噴霧１７がピストン１２に衝突した後には、噴霧１７が保持している運動量のうち衝突位置における凹部１２ａの表面の接線方向に平行な方向の成分のみが保存され、噴霧１７は凹部１２ａの表面に沿う運動をすることになるが、この際、噴霧１７の凹部１２ａとの衝突角度（Ａ点では角度α、Ｂ点では角度β）がほぼ等しいから、噴霧１７の衝突位置における部位にかかわらず衝突後の速度がほぼ等しくなる。
【００２８】
従って、噴霧１７は点火プラグ１４へほぼ等しい速度で順次誘導されることになり、点火プラグ１４へ混合気を順次輸送するという筒内直噴式内燃機関における混合気の成層化の必要条件を満たすことができる。その結果、安定した成層希薄燃焼が実現され、燃焼効率を向上することができる。
【００２９】
なお、ピストン１２の凹部１２ａの表面形状としての等角螺旋面は、燃料噴射弁１６の噴射点とピストン１２の位置関係により決まるが、良好な機関性能を実現するためには、燃料噴射弁１６による燃料の噴射を、ピストン１２がクランク角度で上死点前６０度から４０度の範囲内にあるときに行うのが適切であるという実験的事実を考慮して、上述した実施形態のように、ピストン１２の位置がクランク角度で上死点前６０度から４０度の範囲内より選択することが適当である。
【００３０】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。従って、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の筒内直噴式内燃機関の実施形態の要部構成を示す透視図である。
【図２】本発明の筒内直噴式内燃機関の実施形態の燃料噴霧とピストンとの衝突の様子を示す摸式図である。
【図３】従来技術の筒内直噴式内燃機関を示す透視図である。
【図４】従来技術の筒内直噴式内燃機関の燃料噴霧とピストンとの衝突の様子を示す摸式図である。
【符号の説明】
１１  …シリンダブロック
１２  …ピストン
１２ａ…凹部
１３  …シリンダヘッド
１４  …点火プラグ
１５  …吸気流路
１６  …燃料噴射弁
１７  …燃料噴霧
【図１】
0003899575.tif 000002
【図２】
0003899575.tif 000003
【図３】
0003899575.tif 000004
【図４】
0003899575.tif 000005