(57)【要約】【課題】燃焼室内に正タンブル流を発生させる直噴火花点火式内燃機関において、冷間運転時の燃焼を安定化させる。【解決手段】ピストン１４の頂面のフロント側およびリア側には溝１４ａ，１４ｂが形成されている。溝１４ａ，１４ｂよりも内側には、小容積の窪み１４ｃが形成されている。窪み１４ｃが形成されていることで、周囲よりも相対的に燃料濃度の高い混合気を窪み１４ｃに集め、ピストン１４の上昇に伴って点火プラグ２２に導くことができるので、混合気の着火性を高めることができる。従って、冷間運転時の燃焼を安定化させることができる。また、溝１４ａ，１４ｂによって燃焼室１８に発生させたタンブル流の排気側から吸気側へ向かう方向の流れ強度を増加させることができるので、燃料との衝突によるタンブル流の減衰を抑えて、点火後の燃焼に必要な乱れ強度を確保することもできる。【選択図】図２
2016094925.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともシリンダボアの壁面とシリンダヘッドの底面とピストンの頂面とにより構成される燃焼室と、
前記燃焼室を構成する前記底面の略中央から前記燃焼室を臨む点火プラグと、
前記燃焼室を構成する前記底面に形成された第１吸気ポートおよび第２吸気ポートと、
前記燃焼室を構成する前記底面において、前記点火プラグの設置箇所を中心として前記第１吸気ポートおよび前記第２吸気ポートと略対称の箇所に形成された第１排気ポートおよび第２排気ポートと、
前記燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタであって、前記第１吸気ポートと前記第２吸気ポートが形成された吸気側から、前記第１排気ポートおよび前記第２排気ポートが形成された排気側に向けて燃料を噴射するインジェクタと、
前記第１吸気ポートと前記第２吸気ポートから前記燃焼室に流入させた吸気を、前記点火プラグの下側経由で排気側から前記頂面に向かわせ、前記頂面で反転させて吸気側から前記点火プラグに向かわせるタンブル流発生手段と、
前記頂面の前記点火プラグと対向する箇所に形成された断面略Ｕ字形状の中央溝部と、
前記頂面の前記中央溝部の形成箇所よりも外側において前記第１排気ポート側から前記第１吸気ポート側に向かって形成される断面略Ｕ字形状の第１外溝部であって、前記第１外溝部の吸気側の端部が前記インジェクタの設置箇所に向かって湾曲する第１外溝部と、
前記頂面の前記中央溝部の形成箇所よりも外側において前記第２排気ポート側から前記第２吸気ポート側に向かって形成される断面略Ｕ字形状の第２外溝部であって、前記第２外溝部の吸気側の端部が前記インジェクタの設置箇所に向かって湾曲する第２外溝部と、
を備えることを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関に関し、より詳細には、燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタを備える直噴火花点火式内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特開２０００−１０４５５０号公報には、燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタを備える直噴火花点火式内燃機関が開示されている。この内燃機関は吸気ポートと排気ポートを２つずつ備えており、２つの吸気ポートの開口部間の近傍に設けたインジェクタから圧縮行程の後期にピストンの頂面の中央部に向けて燃料を噴射するように構成されている。また、この内燃機関は、吸気行程において２つの吸気ポートから燃焼室に流入させた吸気によって、点火プラグの下側を通って排気側からピストンの頂面に向かい、尚且つ、この頂面で反転して吸気側から点火プラグ方向に向かう正タンブル流を発生させるように構成されている。また、この内燃機関のピストンの頂面の中央部には、排気側から吸気側に延びる側面山形の立壁が２つ設けられている。このように構成された従来の内燃機関によれば、インジェクタからの燃料を、タンブル流と正面衝突させて微粒化できる。また、２つの立壁によって、タンブル流と正面衝突させた燃料の横方向（つまり、吸排気方向に直交する方向）への拡散を抑制できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１０４５５０号公報
【特許文献２】特開２００９−０４７００６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、内燃機関の熱効率向上に寄与するリーンバーン燃焼では、燃料と吸気の混合気の濃度のリーン化に伴う燃焼速度の緩慢化を補うために上述したような正タンブル流を用いてシリンダ内の吸気の流動を強化して火炎伝播速度を向上させている。一方、内燃機関の始動直後の冷間運転時においては、排気触媒を早期に暖機すべく膨張行程において混合気を緩慢燃焼させて排気温度を上昇させることが望ましい。しかし、冷間運転時の膨張行程では混合気の着火性が低いことから、冷間運転時の燃焼を安定化させるためには、点火時期の近傍において点火プラグに混合気をより一層集中させる必要がある。この点、上述した従来の内燃機関では、点火時期の近傍において混合気を点火プラグに導くことはできるものの、タンブル流と燃料を正面衝突させたことで混合気中の燃料濃度が均一化されるが故に、冷間運転時に着火性が低下する可能性がある。
【０００５】
本発明は、上述のような課題に鑑みなされたものである。即ち、燃焼室内に正タンブル流を発生させる直噴火花点火式内燃機関において、冷間運転時の燃焼を安定化させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、内燃機関であって、
少なくともシリンダボアの壁面とシリンダヘッドの底面とピストンの頂面とにより構成される燃焼室と、
前記燃焼室を構成する前記底面の略中央から前記燃焼室を臨む点火プラグと、
前記燃焼室を構成する前記底面に形成された第１吸気ポートおよび第２吸気ポートと、
前記燃焼室を構成する前記底面において、前記点火プラグの設置箇所を中心として前記第１吸気ポートおよび前記第２吸気ポートと略対称の箇所に形成された第１排気ポートおよび第２排気ポートと、
前記燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタであって、前記第１吸気ポートと前記第２吸気ポートが形成された吸気側から、前記第１排気ポートおよび前記第２排気ポートが形成された排気側に向けて燃料を噴射するインジェクタと、
前記第１吸気ポートと前記第２吸気ポートから前記燃焼室に流入させた吸気を、前記点火プラグの下側経由で排気側から前記頂面に向かわせ、前記頂面で反転させて吸気側から前記点火プラグに向かわせるタンブル流発生手段と、
前記頂面の前記点火プラグと対向する箇所に形成された断面略Ｕ字形状の中央溝部と、
前記頂面の前記中央溝部の形成箇所よりも外側において前記第１排気ポート側から前記第１吸気ポート側に向かって形成される断面略Ｕ字形状の第１外溝部であって、前記第１外溝部の吸気側の端部が前記インジェクタの設置箇所に向かって湾曲する第１外溝部と、
前記頂面の前記中央溝部の形成箇所よりも外側において前記第２排気ポート側から前記第２吸気ポート側に向かって形成される断面略Ｕ字形状の第２外溝部であって、前記第２外溝部の吸気側の端部が前記インジェクタの設置箇所に向かって湾曲する第２外溝部と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、周囲よりも相対的に燃料濃度の高い混合気を中央溝部に集め、ピストンの上昇に伴って点火プラグに導くことができるので、混合気の着火性を高めることができる。従って、冷間運転時の燃焼を安定化させることができる。また、第１外溝部と第２外溝部によって燃焼室に発生させたタンブル流の排気側から吸気側へ向かう方向の流れ強度を増加させることができるので、燃料との衝突によるタンブル流の減衰を抑えて、点火後の燃焼に必要な乱れ強度を確保することもできる。従って、冷間運転時の膨張行程において混合気を緩慢燃焼させて排気触媒を早期に暖機することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態のエンジンの燃焼室の断面模式図である。
【図２】図１の燃焼室１８をシリンダヘッド１６側から見た平面図である。
【図３】図２の窪み１４ｃの断面図である。
【図４】タンブル流の流れ強度の測定結果を示す図である。
【図５】本発明の比較用の断面構造のピストンを示す図である。
【図６】本発明の比較用の断面構造のピストンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の実施形態の内燃機関は、車両等の移動体の駆動源として搭載される直噴火花点火式エンジンである。図１は、本発明の実施の形態のエンジンの燃焼室の断面模式図である。図１に示すように、エンジン１０のシリンダ１２には、シリンダ１２内を往復動するピストン１４が設けられている。シリンダ１２の上方には、シリンダヘッド１６が配置されている。少なくともシリンダ１２のボア壁面（シリンダボアの壁面）とピストン１４の頂面とシリンダヘッド１６の底面とにより燃焼室１８が画定される。
【００１０】
シリンダヘッド１６には、燃焼室１８内に燃料を直接噴射するためのインジェクタ２０が設けられている。シリンダヘッド１６には、燃焼室１８内の混合気に点火するための点火プラグ（点火栓）２２も設けられている。シリンダヘッド１６の下面には、吸気ポート２４と排気ポート２６が２つずつ形成されている。燃焼室１８は、吸気ポート２４を介して吸気通路２８と連通し、排気ポート２６を介して排気通路３０と連通している。吸気ポート２４には、図１中に「タンブル方向」と示す方向、即ち、点火プラグ２２の下側を通って排気側からピストン１４の頂面に向かい、尚且つ、この頂面で反転して吸気側から点火プラグ２２方向に向かう正タンブル流を発生させるための気流制御弁（図示しない）が設けられている。
【００１１】
図２は、図１の燃焼室１８をシリンダヘッド１６側から見た平面図である。なお、図２に示す「フロント側」はエンジン１０を搭載した移動体の前方を意味し、「リア側」は同移動体の後方を意味している。図２に示すように、ピストン１４の頂面のフロント側およびリア側には溝１４ａ，１４ｂが形成されている。溝１４ａ，１４ｂは断面略Ｕ字形状である。溝１４ａの中心線Ｃ１４ａは、排気側および中央部において排気ポート２６ａから吸気ポート２４ａに向かって延び、吸気側の端部においてはインジェクタ２０の噴射孔側に向かって湾曲している。溝１４ｂの中心線Ｃ１４ｂは、排気側および中央部において排気ポート２６ｂから吸気ポート２４ｂに向かって延び、吸気側においてインジェクタ２０の噴射孔側に向かって湾曲している。
【００１２】
また、溝１４ａ，１４ｂよりも内側には、小容積の窪み１４ｃが形成されている。窪み１４ｃは、ピストン１４の頂面の中央部に形成されている。ピストン１４の頂面の中央部に形成したのは、溝１４ａ，１４ｂとの干渉を避けて窪み１４ｃ内に滞留させた混合気の分散を抑制するためである。また、窪み１４ｃは、吸−排気方向の幅よりもフロント−リア方向の幅が狭くなるように形成されている。この理由は、窪み１４ｃへのタンブル流の侵入を抑制するためである。窪み１４ｃのフロント−リア方向の幅は、点火プラグ２２のプラグ径程度とされている。また、図３に示すように、窪み１４ｃの断面は略Ｕ字形状であり、窪み１４ｃの表面は、タンブル流の剥離、減衰を防ぐために鋭角な反り返しを設けないように加工されている。
【００１３】
上述したように、リーンバーン燃焼では、混合気の濃度のリーン化に伴う燃焼速度の緩慢化を補うために正タンブル流を用いてシリンダ内の吸気の流動を強化して火炎伝播速度を向上させている。また、リーンバーン燃焼を行うエンジンの始動直後の冷間運転時においては、排気触媒を早期に暖機すべく膨張行程において混合気を緩慢燃焼させて排気温度を上昇させることが望ましい。
【００１４】
圧縮行程においてインジェクタ２０から噴射された燃料は排気側へと向かうが、対向するタンブル流との衝突により貫徹力が弱められるので、燃料の排気側への進行はある程度抑えられる。よって、インジェクタ２０の噴射時期を適切に設定することで、ピストン１４の上死点近くにおいて点火プラグ２２の近傍に膨張行程でも着火可能な混合気濃度を確保できる。しかし、タンブル流は燃料との衝突により減衰するので排気側から吸気側へ向かう方向の流れ強度が小さくなり、点火後の燃焼に必要な乱れ強度が小さくなり易い。また、混合気もタンブル流により分散し、点火時の成層度が低くなり易い。従って、冷間運転時の燃焼を安定化させるためには、タンブル流の減衰を抑えつつ、点火時の成層度をある程度確保する必要がある。
【００１５】
この点、図２に示したピストン１４の頂面構造によれば、周囲よりも相対的に燃料濃度の高い混合気を窪み１４ｃに集め、ピストン１４の上昇に伴って点火プラグ２２に導くことができるので、混合気の着火性を高めることができる。従って、冷間運転時の燃焼を安定化させることができる。また、溝１４ａ，１４ｂによって燃焼室１８に発生させたタンブル流の排気側から吸気側へ向かう方向の流れ強度を増加させることができるので、燃料との衝突によるタンブル流の減衰を抑えて、点火後の燃焼に必要な乱れ強度を確保することもできる。従って、冷間運転時の膨張行程において混合気を緩慢燃焼させて排気触媒を早期に暖機することが可能となる。
【００１６】
図４は、タンブル流の流れ強度（タンブル強さ）の測定結果を示す図である。図４に示す「本発明」は、図２に示した頂面構造のピストン１４を用いたときの流れ強度を示している。また、同図に示す「キャビティ付形状」および「通常形状」は、それぞれ、図５および図６に示す比較用の断面構造のピストンを用いたときの流れ強度を示している。また、図４に示したデータは、ＰＩＶ（Particle Image Velocimetry）によって計測した下死点前９０°におけるタンブル流の流れ強度である。図４から、図２に示した頂面構造のピストン１４を用いることで、通常形状、即ち、突起等のない平滑な形状と同等の流れ強度を確保できることが分かる。従って、本発明によれば、燃料との衝突によるタンブル流の減衰を抑えることができる。
【００１７】
なお、上記実施の形態においては、吸気ポート２４ａ，２４ｂが本発明の「第１吸気ポート」および「第２吸気ポート」に、排気ポート２６ａ，２６ｂが本発明の「第１排気ポート」および「第２排気ポート」に、気流制御弁が本発明の「タンブル流発生手段」に、窪み１４ｃが本発明の「中央溝部」に、溝１４ａ，１４ｂが本発明の「第１外構部」および「第２外構部」に、それぞれ相当している。
【符号の説明】
【００１８】
１０  エンジン
１２  シリンダ
１４  ピストン
１４ａ，１４ｂ  溝
１４ｃ  窪み
１６  シリンダヘッド
１８  燃焼室
２２  点火プラグ
２４  吸気ポート
２６  排気ポート
【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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