(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダブロックにシリンダヘッドが取り付けられ、前記シリンダブロックにピストンが配設されると共に、前記ピストン上方の前記シリンダヘッドの略中央に点火プラグが配設され、さらに燃料を燃焼室に直接噴射する燃料噴射装置が配設された筒内噴射エンジンにおいて、
前記ピストンは、頂部の周囲に平面部が形成され、
前記平面部の内側に該平面部から上方に突出する凸部と該凸部及び前記平面部に渡って凹所形状のキャビティとが形成され、
前記凸部は、ピストン頂部中央に位置して径方向に延在する平面状の天面と、該天面の両側で下端が前記平面部に至る平面状の吸気側の傾斜面と排気側の傾斜面とを有し、前記ピストンの上死点位置において、前記吸気側の傾斜面の傾斜角度が前記排気側の傾斜面よりも大きくかつ吸気弁下面の傾斜角度と相違し、該吸気側の傾斜面と該吸気弁下面との隙間が傾斜下方に行くに連れて広がっていると共に、前記排気側の傾斜面と排気弁下面とがほぼ平行であり、
前記キャビティは、
平面視で鶏卵形状を呈し、
当該鶏卵形状の細い方の先端部側を、前記点火プラグ下方の前記天面内に配置させ、
当該鶏卵形状の太い方の基端部側を、前記吸気側の傾斜面を横切って前記平面部内に配置させ、かつ、前記燃料噴射装置の噴射口近傍に配置させ、
燃料が前記基端部側から先端部側に向けて噴射するようにしたことを特徴とする筒内噴射エンジン。
【請求項２】
前記キャビティ底面には、前記先端部側が高くなるように傾斜する平坦部が、基端を前記吸気側の傾斜面の下端を越えて前記平面部下方に位置するように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料を燃焼室に燃料噴射装置から直接噴射して燃焼させる筒内噴射エンジンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のものとしては、例えば図９及び図１０に示すようなものがある。図９の（ａ），図１０の（ａ）は筒内噴射エンジンのピストン１の平面図、図９の（ｂ），図１０の（ｂ）はピストン１の断面図で、これらの図に示すように、ピストン１の頂部２には、凹所であるキャビティ３が形成されている。
【０００３】
そして、筒内噴射エンジンの圧縮行程において、燃料噴射装置４から燃料を、キャビティ３の図中右側端部（基端部３ａ）から斜めに底面３ｂに向けて直接噴射する。これにより、噴霧Ｇがキャビティ３の先端部３ｃの縦壁部３ｄにて上方に持ち上げられ、この燃料が点火プラグ５にて着火されて燃焼される。
【０００４】
このようにキャビティ３を設けて、ここに燃料を噴射することで、空気との混合性を向上させると共に、上方に持ち上げて着火性を確保するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のものにあっては、キャビティ３により、混合気を上方に持ち上げるようにしているが、点火プラグ５は、中心電極５ａの下側に側方電極５ｂが回り込むように構成されているため、この側方電極５ｂにより混合気が遮られてしまっていた。
【０００６】
そこで、この発明は、側方電極に遮られることなく、より着火性を向上させることができる筒内噴射エンジンを提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を達成するために、請求項１に記載の発明は、シリンダブロックにシリンダヘッドが取り付けられ、前記シリンダブロックにピストンが配設されると共に、前記ピストン上方の前記シリンダヘッドの略中央に点火プラグが配設され、さらに燃料を燃焼室に直接噴射する燃料噴射装置が配設された筒内噴射エンジンにおいて、前記ピストンは、頂部の周囲に平面部が形成され、前記平面部の内側に該平面部から上方に突出する凸部と該凸部及び前記平面部に渡って凹所形状のキャビティとが形成され、前記凸部は、ピストン頂部中央に位置して径方向に延在する平面状の天面と、該天面の両側で下端が前記平面部に至る平面状の吸気側の傾斜面と排気側の傾斜面とを有し、前記ピストンの上死点位置において、前記吸気側の傾斜面の傾斜角度が前記排気側の傾斜面よりも大きくかつ吸気弁下面の傾斜角度と相違し、該吸気側の傾斜面と該吸気弁下面との隙間が傾斜下方に行くに連れて広がっていると共に、前記排気側の傾斜面と排気弁下面とがほぼ平行であり、前記キャビティは、平面視で鶏卵形状を呈し、当該鶏卵形状の細い方の先端部側を、前記点火プラグ下方の前記天面内に配置させ、当該鶏卵形状の太い方の基端部側を、前記吸気側の傾斜面を横切って前記平面部内に配置させ、かつ、前記燃料噴射装置の噴射口近傍に配置させ、燃料が前記基端部側から先端部側に向けて噴射するようにした筒内噴射エンジンとしたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の構成に加え、前記キャビティ底面には、前記先端部側が高くなるように傾斜する平坦部が、基端を前記吸気側の傾斜面の下端を越えて前記平面部下方に位置するように形成されたことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について説明する。
【００１０】
図１乃至図８には、この発明の実施の形態を示す。
【００１１】
まず構成を説明すると、図１中符号２１はシリンダブロックで、このシリンダブロック２１の上側には、シリンダヘッド２２が配設される一方、そのシリンダブロック２１にはピストン２３が上下動自在に配設されている。
【００１２】
また、シリンダヘッド２２には、図１，図３等に示すように、２つづつの吸気ポート２４及び排気ポート２５をそれぞれ開閉する吸気バルブ２６及び排気バルブ２７が配設されている。これら吸気バルブ２６及び排気バルブ２７は図示省略の吸気側カムシャフト及び排気側カムシャフトにより所定のタイミングで開閉されるようになっている。また、図３に示すように、一対の吸気ポート２４のそれぞれに連続する吸気通路４３の一方の内部に開閉弁４５が配設されている。
【００１３】
さらに、そのシリンダヘッド２２には、燃料噴射装置３１及び点火プラグ４２が配設され、その燃料噴射装置３１の噴射口３１ａ及び点火プラグ４２の先端部３２ａが燃焼室３３に臨んでいる。その燃料噴射装置３１は、吸気ポート２４の下側近傍で、斜めに配置される一方、点火プラグ４２は、燃焼室３３の平面視において中央で、燃焼室３３の最高位置に上下方向に沿って配置されている。
【００１４】
その点火プラグ４２は、図１及び図２に示すように、中心部に中心電極４２ａが設けられ、この中心電極４２ａの周囲に側方電極４２ｂが３片、１２０°間隔で、半径方向に沿って配設されている。これら側方電極４２ｂは、略直角に折曲され、先端部４２ｃが中心電極４２ａの側方に対向し、この中心電極４２ａ側面と側方電極先端部４２ｃとの間が火花ギャップとなっている。この中心電極４２ａ等がキャビティ先端部３９ａの上方に位置している。
【００１５】
また、吸気ポート２４は、燃料噴射装置３１側に斜めに形成され、この吸気ポート２４の吸気口２４ａの下縁部２４ｂには、図６の（ａ）に示すように、マスキング４６が設けられ、同図に示すように、吸気バルブ２６を開いた状態では、吸気口２４ａの上縁部２４ｃ側の方が、下縁部２４ｂ側よりも流入空気量が多くなるように構成されている。これにより、図６の（ａ）に示すように、前記ピストンキャビティ３９の先端部３９ａを左側、基端部３９ｂを右側として燃焼室３３内を見た場合に、吸気ポート２４の吸気口２４ａから燃焼室３３内に流入する空気が、図中矢印Ｘに示すように、反時計回りのタンブルを生じるように構成されている。
【００１６】
一方、前記ピストン２３の頂部３６の形状は、以下のように形成されている。
【００１７】
すなわち、周囲に平面部３７が形成され、この平面部３７の内側に、上方に突出する凸部３８と、この凸部３８及び平面部３７に渡って凹所形状であるキャビティ３９とが形成されている。
【００１８】
図１、図２に示すように、凸部３８は、天面３８ａが平面形状に形成されると共に、その天面３８ａまで至る傾斜面３８ｂが形成されている。天面３８ａは、ピストン頂部中央に位置して径方向に延在する。傾斜面３８ｂは、天面３８ａの両側で下端が前記平面部３７に至る平面状の吸気側の傾斜面３８ｂ１と排気側の傾斜面３８ｂ２とを有している。図１に示すように、ピストン２３の上死点位置において、吸気側の傾斜面３８ｂ１の傾斜角度が排気側の傾斜面３８ｂ２よりも大きくかつ吸気バルブ２６下面の傾斜角度と相違し、該吸気側の傾斜面３８ｂ１と該吸気バルブ２６下面との隙間が傾斜下方に行くに連れて広がっていると共に、排気側の傾斜面３８ｂ２と排気バルブ２７下面とがほぼ平行である。
【００１９】
また、前記キャビティ３９は、平面視で鶏卵形状を呈しており、当該鶏卵形状の細い方の先端部３９ａが、ピストン２３頂面部の中央部（点火プラグ４２の下方）の天面内３８ａに配置され、又、当該鶏卵形状の太い方の基端部３９ｂが、吸気側の傾斜面３８ｂ１を横切って平面部３７内に配置させ、かつ、燃料噴射装置３１の噴射口３１ａ近傍に配置されている。さらに、このキャビティ３９の底面３９ｃは、図４の（ｂ）等に示すように、先端部３９ａ側が高くなるように傾斜して形成され、ここでは角度α°（５°〜７°）に設定されている。そして、図１に示すように、キャビティ底面３９ｃには、先端部側が高くなるように傾斜する平坦部が、基端を吸気側の傾斜面３８ｂ１の下端を越えて平面部３７下方に位置するように形成されている。さらにまた、先端部３９ａ側の底面３９ｃから縦壁３９ｄに渡るＲ形状部３９ｅは、ここでは曲率半径Ｒが１３ｍｍに設定されている。
【００２０】
なお、前記キャビティ底面３９ｃの傾斜角度α°とそのＲ形状部３９ｅの曲率半径Ｒとの関係は、その傾斜角度が０°の場合、つまり傾斜していない場合には、曲率半径Ｒが１５ｍｍ乃至３０ｍｍに設定されており、又、底面３９ｃが傾斜している場合には、曲率半径Ｒが８ｍｍ乃至１５ｍｍに設定するのが良い。
【００２１】
また、図４の（ｃ）に示すように、キャビティ底面３９ｃと側壁３９ｆとの間のＲ形状部３９ｇは、ここでは８ｍｍ乃至１０ｍｍに設定されており、前記Ｒ形状部３９ｅより小さく形成されている。勿論、両者を同じに形成することもできる。この場合には、一つの工具で両Ｒ形状部３９ｇ，３９ｅを連続して形成できる。
【００２２】
そして、このピストン凸部３８の傾斜面３８ｂと燃焼室天井傾斜面３３ａとの間にスキッシュエリアが設けられている（図６（ｃ）参照）。
【００２３】
次に、作用について説明する。
【００２４】
まず、図６の（ａ）に示すＢＤＣ（下死点）では、開かれた吸気バルブ２６から燃焼室３３内に外気が導入され、図中矢印Ｘに示すような反時計回りのタンブルが生じる。これは、吸気口２４ａの上縁部２４ｃ側からの空気の吸入量が多いため、反時計回りのタンブルが生じるものである。
【００２５】
次に、図６の（ｂ）に示すＢＴＤＣ６０°では、ピストン２３が上昇し、空気が押し上げられることから、矢印Ｓに示す流れを生じる。これと共に、図７に示すようにＢＴＤＣ６３°乃至５８°で、燃料噴射装置３１から燃料がキャビティ３９内に燃料が噴射され、キャビティ底面３９ｃに付着した燃料が気化されて上昇する。
【００２６】
また、その矢印Ｓに示す流れにより、図６の（ａ）に示すタンブルの流れＸが矢印Ｘ１に示すように徐々に変化して行く。
【００２７】
このようにタンブルはピストン２３が上昇するにつれて全体的なタンブルの流れは失われて（タンブルが崩壊して）、細かい乱れの流れ成分になる。
【００２８】
これにより、空気への燃料の混合が良好に行われることとなる。
【００２９】
そして、図６の（ｃ）に示すＢＴＤＣ３０°では、ピストン凸部３８の傾斜面３８ｂと、燃焼室３３の天井傾斜面３３ａとの間にスキッシュエリアが形成されているため、図６の（ｂ）の流れＳは、図６の（ｃ）中矢印Ｓ１のような流れに変化して行く。この際のいわゆるスキッシュ効果により、混合気の攪拌がより良好に行われると共に、ピストンキャビティ３９内の先端部３９ａにおいて、上向きの流れＹが生じることとなる。さらに、ＢＴＤＣ２０°における気液混合気の流れは図６の（ｄ）に示すようになる。
【００３０】
上記のようなタンブル，スキッシュの効果により、燃料と空気とが良好に混合されると共に、キャビティ３９の形状により、先端部３９ａに集められて他の部分より燃料の濃い気液混合気が持ち上げられる。
【００３１】
一方、上記のように燃料噴射装置３１の噴射口３１ａから燃料が、図４の（ａ）中、噴射角度θが６０°〜８０°の範囲で噴射されると、この噴霧の形に対してキャビティ３９の基端部３９ｂ側の幅Ｈが広くなっているため、図４の（ａ）中矢印Ａに示すように、その基端部３９ｂ側に筒内スワール流による空気が入り噴霧Ｇに空気が混入し易いと共に、前記のように噴射角度θがある程度大きいため、この点でも空気が混入し易い。
【００３２】
そして、その噴霧Ｇは、キャビティ３９の底面３９ｃに当たり、この底面３９ｃにて先端部３９ａ側に向けて案内されると共に、前記のように片側から流入する筒内スワール流により側壁３９ｆに押し付けられながら、この側壁３９ｆにて先端部３９ａ側に向けて案内される。この側壁３９ｆは、従来の図９の（ｂ）等に示すものより高いと同時に、Ｒ形状部３９ｇの曲率半径Ｒが小さいため、噴霧Ｇの横漏れを防止することができる。
【００３３】
次いで、この噴霧Ｇは、キャビティ先端部３９ａのＲ形状部３９ｅ及び縦壁３９ｄに案内されて上方に持ち上がる。この場合には、底面３９ｃをスロープ形状とすることにより、噴霧Ｇを持ち上げ易く、又、Ｒ形状部３９ｅを大きくすることにより、この部分での噴霧Ｇの溜まりを抑制できる。
【００３４】
そして、図５の（ａ），（ｂ）に示すように、鶏卵形状の細い方の先端部３９ａにて、噴霧Ｇの一旦広がった前方部が狭められて集中されることにより、成層化が図られ、点火プラグ４２へと移送され、図７に示すように、ＢＴＤＣ２０°付近で、点火プラグ４２により着火される。
【００３５】
このようにすれば、燃料と空気と混合が十分に行われることにより、スモークの発生を抑制できると同時に、成層化が図られて点火プラグ４２への移送が良好に行われることにより燃焼が安定する。
【００３６】
しかも、成層化が図られるため、点火プラグ４２の燃焼室３３内への突出量を短くしても着火性を確保できることから、点火プラグ４２の加熱を抑制できる。
【００３７】
また、この点火プラグ４２は、図１及び図２に示すように、中心電極４２ａに対して側方電極４２ｂの先端部４２ｃが側方で対向しているため、側方に火花が飛ぶこととなる。従って、上昇してきた混合気が側方電極４２ｂで遮られることなく、直接火花が飛んでいる部分に上昇してくるため、着火性能が良好となる。
【００３８】
一方、一対の吸気通路４３の一方の内部には開閉弁４５が配設されており、低回転域では、その開閉弁４５が閉じられているため、燃焼室３３内へは、他方の吸気通路４３から、つまり、燃焼室３３に対して偏った位置から空気が流入してくることから、燃焼室３３内においては、スワールが発生することとなる。従って、ここでは、上記のようなタンブルとスワールが合わさった流れとなり、より気液混合性能が向上することとなる。この開閉弁４５は、成層燃焼又は均一希薄燃焼時の要求に応じて筒内のスワール流をコントロールするために電子制御される。
【００３９】
ちなみに、図８には、空燃比を変えたときの吸入空気量と回転数との関係のグラフ図を示すが、上記のような燃焼が行われるのは、図中斜線部、つまり、空燃比（Ａ／Ｆ）が３０〜７０の範囲である。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明してきたように、請求項１に記載された発明によれば、吸気バルブから燃焼室内に外気が導入され、タンブルが生じ、次いで、ピストンが上昇し、空気が押し上げられ、燃料噴射装置から燃料がキャビティ内に燃料が噴射され、キャビティ底面に付着した燃料が気化されて上昇する過程で全体的なタンブルの流れは失われ、細かい乱れの流れ成分になり、空気への燃料の混合が良好に行われる。ピストン凸部の傾斜面と、燃焼室の天井傾斜面との間にスキッシュエリアが形成されているので、スキッシュ効果が生じ、混合気の攪拌がより良好に行われると共に、キャビティ内の先端部において、上向きの流れが生じる。スキッシュの効果により、燃料と空気とが良好に混合されると共に、キャビティの形状により、先端部に集められて他の部分より燃料の濃い気液混合気が持ち上げられる。燃料噴射装置の噴射口から燃料が噴射されると、この噴霧の形に対してキャビティの基端部側の幅が広くなっているため、基端部側に筒内スワール流による空気が入り噴霧に空気が混入し易いと共に、前記のように噴射角度がある程度大きいため、この点でも空気が混入し易い。その噴霧は、キャビティの底面に当たり、この底面にて先端部側に向けて案内されると共に、前記のように片側から流入する筒内スワール流により側壁に押し付けられながら、この側壁にて先端部側に向けて案内され、成層化が図られ、点火プラグへと移送され、点火プラグにより着火され燃焼が安定する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態に係る筒内噴射エンジンの縦断面図である。
【図２】同実施の形態に係るピストンの平面図である。
【図３】同実施の形態に係るシリンダヘッドの裏面図である。
【図４】同実施の形態に係るピストンを示す図で、（ａ）は同ピストンの平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図、（ｃ）は（ａ）のＢーＢ線に沿う断面図である。
【図５】同実施の形態に係るピストンを示す図で、（ａ）は図４の（ａ）に相当する平面図、（ｂ）は図４の（ｂ）に相当する断面図である。
【図６】同実施の形態２に係るピストンの位置と混合気等の流れとの関係を示す説明図で、（ａ）は同ピストンがＢＤＣ、（ｂ）はＢＴＤＣ６０°、（ｃ）はＢＴＤＣ３０°、（ｄ）はＢＴＤＣ２０°の状態における説明図である。
【図７】同実施の形態に係る噴射タイミング等を示すダイヤグラム図である。
【図８】同実施の形態に係る空燃比を変えたときの吸入空気量と回転数との関係を示すグラフ図である。
【図９】従来のピストン等を示す図で、（ａ）はピストンの平面図、（ｂ）はピストンの断面図である。
【図１０】同従来のピストン等を示す図で、（ａ）は図１２の（ａ）に相当する平面図、（ｂ）は図１２の（ｂ）に相当する断面図である。
【符号の説明】
21  シリンダブロック
22  シリンダヘッド
23  ピストン
31  燃料噴射装置
31a 噴射口
33  燃焼室
36  頂部
39  キャビティ
39a 先端部
39b 基端部
42  点火プラグ
42a 中心電極
42b 側方電極
42c 先端部
Ｇ  噴霧
【図１】
0004004179.tif 000002
【図２】
0004004179.tif 000003
【図３】
0004004179.tif 000004
【図４】
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【図５】
0004004179.tif 000006
【図６】
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【図７】
0004004179.tif 000008
【図８】
0004004179.tif 000009
【図９】
0004004179.tif 000010
【図１０】
0004004179.tif 000011