(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向的に配置された吸気ポートと排気ポートとの間の燃焼室略中央部に点火プラグを位置させるとともに、上面に平面上略円形のキャビティを形成したピストンと、吸気ポート側から前記キャビティに向けて燃料を噴射供給する燃料噴射弁と、シリンダ内にスワールを発生させる手段とを備えた内燃機関において、
ピストン上面を、吸気ポートに面した傾斜面と排気ポートに面した傾斜面とからなり、各傾斜面の境界を稜線とする隆起形状とするとともに、
前記キャビティの主要部が前記各傾斜面の境界部分に近接して吸気ポート側傾斜面内に開口し、かつ前記スワールの下流域となるキャビティの一部が排気ポート側傾斜面であって、スワールに対して点火プラグをとおり前記稜線と直交する線の上流側となる領域のみに開口するように形成したことを特徴とする筒内燃料噴射式内燃機関。
【請求項２】
吸気ポート側傾斜面と排気ポート側傾斜面の境界を燃焼室中央部よりも吸気ポート側に偏った位置に設定したことを特徴とする請求項１に記載の筒内燃料噴射式内燃機関。
【請求項３】
吸気ポート側傾斜面と排気ポート側傾斜面の境界を燃焼室中央部よりも排気ポート側に偏った位置に設定したことを特徴とする請求項１に記載の筒内燃料噴射式内燃機関。
【請求項４】
キャビティは、その主要部の平面形状が円形であり、かつ排気ポート側傾斜面内に開口する部分が前記円形状から膨出した態様で形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の筒内燃料噴射式内燃機関。
【請求項５】
キャビティは、その平面形状が、長軸が燃料噴射弁付近からスワール下流方向に沿うように形成された楕円形状であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の筒内燃料噴射式内燃機関。
【請求項６】
キャビティは、その平面形状が、部分的に排気ポート側傾斜面に突出した円形状であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の筒内燃料噴射式内燃機関。
【請求項７】
燃料噴射弁は、その噴霧中心が、排気ポート側傾斜面に形成されたキャビティを指向するように設けられていることを特徴とする請求項１から請求項６の何れかに記載の筒内燃料噴射式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、筒内噴射式内燃機関にの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の筒内噴射式内燃機関としては、例えば特開平８−３５４２９号公報に記載されたものがある。これは、広い負荷範囲すなわち燃料噴射量の多寡に関わらず安定した成層燃焼を可能とすることを目的としたもので、ピストン上面に設けたキャビティ（キャビティ部）の形状として点火プラグに近接した壁面を略直線状するとともに、前記直線状壁面の後方にスワールにより燃料及び空気が拡散、混合する空間を構成している。このため、高負荷時すなわち燃料量の多い状態においても点火プラグ付近に過剰の燃料を停滞させることなく、可燃空燃比の混合気を形成できるというものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この筒内噴射式内燃機関のキャビティは、詳細にはスワールに対して上流側から円弧状の第１の壁面区間、直線状の第２の壁面区間、円弧状の第３の壁面区間を連続させた平面形状となっており、また縦断面としては深さ方向の中央付近が最も断面積が大きく、かつ第２の壁面区間はこれと対向する壁面区間よりも高さが大きくなるように形成されている。また、ピストンの上面には吸気ポートに面した傾斜面と排気ポートに面した傾斜面とからなる隆起形状が付与されている。
【０００４】
しかしながら、このようなキャビティ形状によると、噴射された燃料噴霧の多くはキャビティ内に保持されるため、ピストンが上死点近傍に到達するまで点火ができず、最適点火時期よりも遅れて十分な出力性能が得られなくなるおそれがある。
【０００５】
その一方、上述した各壁面区間はそれぞれピストン上面の隆起形状の頂部よりも排気側に広がる領域を有しているため、噴射された燃料がこれら壁面区間の排気側領域へ比較的拡散しやすくなり、この結果として点火プラグ付近の混合気が薄くなって着火性が悪化するおそれもある。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点を解消することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、対向的に配置された吸気ポートと排気ポートとの間の燃焼室略中央部に点火プラグを位置させるとともに、上面に平面上略円形のキャビティを形成したピストンと、吸気ポート側から前記キャビティに向けて燃料を噴射供給する燃料噴射弁と、シリンダ内にスワールを発生させる手段とを備えた内燃機関において、ピストン上面を、吸気ポートに面した傾斜面と排気ポートに面した傾斜面とからなり、各傾斜面の境界を稜線とする隆起形状とするとともに、前記キャビティの主要部が前記各傾斜面の境界部分に近接して吸気ポート側傾斜面内に開口し、かつ前記スワールの下流域となるキャビティの一部が排気ポート側傾斜面であって、スワールに対して点火プラグをとおり前記稜線と直交する線の上流側となる領域のみに開口するように形成した。
【０００８】
請求項２の発明は、上記請求項１の発明において、吸気ポート側傾斜面と排気ポート側傾斜面の境界を燃焼室中央部よりも吸気ポート側に偏った位置に設定した。
【０００９】
請求項３の発明は、上記請求項１の発明において、吸気ポート側傾斜面と排気ポート側傾斜面の境界を燃焼室中央部よりも排気ポート側に偏った位置に設定した。
【００１０】
請求項４の発明は、上記各発明のキャビティを、その主要部の平面形状が円形であり、かつ排気ポート側傾斜面内に開口する部分が前記円形状から膨出した態様で形成したものとする。
【００１１】
請求項５の発明は、上記請求項１から請求項３の発明のキャビティを、その平面形状が、長軸が燃料噴射弁付近からスワール下流方向に沿うように形成した楕円形状とする。
【００１２】
請求項６の発明は、上記請求項１から請求項３の発明のキャビティを、その平面形状が、部分的に排気ポート側傾斜面に突出した円形状とする。
【００１３】
請求項７の発明は、上記各発明の燃料噴射弁を、その噴霧中心が、排気ポート側傾斜面に形成されたキャビティを指向するように設けたものとする。
【００１４】
【作用・効果】
上記各発明において、吸気ポート側に位置する燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧の一部は対向するキャビティ内壁面に衝突する。キャビティの主要部は隆起形状の境界部分に近接して吸気ポート側傾斜面に位置しているため、前記燃料噴霧が衝突する内壁面はピストン上面までの高さが最も高く、かつ燃焼室の中央部に近い。このため、前記キャビティの対向壁面に衝突してキャビティ外へと上昇した燃料噴霧が点火プラグ付近へと集中し、点火プラグの近傍に濃混合気層を形成する。これにより、ピストンが上死点に達するよりも早期に着火可能となるため良好な出力性能が発揮される。
【００１５】
一方、燃料噴霧の一部はスワールにより該スワールの下流方向へと輸送されるが、このときキャビティがスワール下流方向について排気ポート側傾斜面に突出した形状となっているため、スワールに対して点火プラグの上流側のキャビティ内に多くの燃料を確保しておくことができ、これにより濃混合気層を維持しつつキャビティ内の吸気流動を活用して良好な燃焼性能が得られる。
【００１６】
請求項２の発明によれば、燃焼室内でのキャビティ容量が比較的小となるので、ボア・ストローク比の比較的大きい機関において、キャビティ内での燃料の分散を規制し、層状化を維持して良好な燃費性能を確保することができる。
【００１７】
請求項３の発明によれば、燃料噴射弁からキャビティの対向壁面までの距離が大きくなるので燃料気化時間が長期化して未燃ＨＣやスモークが低減する。また、ボア・ストローク比の比較的小さい機関において燃料噴霧を保持しうるだけのキャビティ容量を確保できるという利点もある。
【００１８】
請求項４の発明では、キャビティ主要部の平面形状が円形であり、かつ排気ポート側傾斜面内に開口する部分が前記円形状から膨出した態様で形成してあるので、円形形状によりキャビティ内へのスワールの導入及び維持を容易にしつつ、スワール下流域にキャビティ容積を確保して多くの燃料を保持させておくことができ、成層燃焼の改善効果が向上する。
【００１９】
請求項５の発明では、キャビティの平面形状を、長軸が燃料噴射弁付近からスワール下流方向に沿うように形成した楕円形状としてあるので、シリンダ内に生じるスワール全体の流れがキャビティ内に導入されやすく、これにより点火プラグ付近への燃料噴霧の集中を促して着火性をより向上させることができる。
【００２０】
請求項６の発明では、キャビティの平面形状を、部分的に排気ポート側傾斜面に突出した円形状としてあるので、キャビティ内のスワールが減衰しにくく、それだけ点火プラグ近傍への燃料輸送機会が増大して着火性が良好になるとともに活発な燃焼が得られる。またピストンの加工も容易である。
【００２１】
請求項７の発明では、燃料噴射弁を、その噴霧中心が、キャビティの排気ポート側傾斜面への突出部を指向するように設けたものとしたことより、キャビティ主要部に衝突して点火プラグ方向に案内すべき燃料噴霧の割合を調整しつつ噴射燃料の多くを確実にキャビティ内に確保しておくことが可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のいくつかの実施の形態につき図面に基づいて説明する。
【００２３】
図１、図２はこの発明の一実施形態を示している。まず構成を説明すると、１はピストン、２はシリンダ内に直接燃料を噴射する噴射弁、３は点火プラグ、４はシリンダ、５はシリンダヘッド、６はピストン上面に形成されたキャビティを示す。また７は吸気弁、８は排気弁であり本実施形態では吸気弁７、排気弁８はそれぞれ２本づつ備えられた４弁形式である。点火プラグ３は前記吸排気弁間の燃焼室１２の略中央部に位置している。９ａ，９ｂは吸気ポート、１０ａ，１０ｂは前記各ポート９ａ，９ｂに接続された吸気マニホールド、１１は一方の吸気マニホールド１０ｂに介装されたスワール発生手段としての吸気制御弁、１２は燃焼室、１３ａ，１３ｂは排気ポートを示している。
【００２４】
上記吸気制御弁１１は予め定められた比較的負荷及び回転数の低い運転域で閉弁保持され、この場合図２で反時計方向のスワールを生起する。
【００２５】
ピストン１の上面は、点火プラグ３の直下部分を境界として吸気ポート９ａ，９ｂ側の傾斜面１Ａと排気ポート１３ａ，１３ｂ側の傾斜面１Ｂとからなる隆起形状となっている。
【００２６】
キャビティ６は、この場合図２に示したようにその主要部６Ａの平面形状は円形であり、該円形の中心はほぼ燃料噴霧の中心線上に位置している。ただし、このキャビティ６はスワール下流域となる一部が排気ポート側傾斜面１Ｂ内に膨出して開口する部分（以下「拡張部６Ｂ」という。）を有している。
【００２７】
成層燃焼時における新気は、吸気行程において、吸気マニホールド１０ｂに設けられた吸気制御弁１１が、吸気ポート９ｂからの新気導入を抑制するため、略直線形状に形成された吸気ポート９ａより選択的に流入し、吸気マニホールド１０ａおよび吸気ポート９ａでの流入抵抗が小さな状態で、シリンダ４内に旋回流を発生させる。キャビティ６内のスワールは前記シリンダ内旋回流が、吸気および圧縮行程にかけてキャビティ６内に導入されることにより発生する。また、成層燃焼時における燃料は、圧縮行程においてキャビティ６の底面を指向するように噴射弁２により噴射される。
【００２８】
次に作用を説明する。
【００２９】
図２に示したように、吸気ポート側に位置する燃料噴射弁２から噴射された燃料噴霧の一部は対向するキャビティ内壁面に衝突する。キャビティ主要部６Ａは隆起形状の境界部分（稜線Ｌ）に近接して吸気ポート側傾斜面１Ａに位置しているため、前記燃料噴霧が衝突する内壁面はピストン上面までの高さが最も高く、かつ燃焼室１２の中央部に近い。このため、前記キャビティ対向壁面に衝突してキャビティ外へと上昇した燃料噴霧が点火プラグ３付近へと集中し（図２のＦ部参照）、点火プラグ３の近傍に濃混合気層を形成する。これにより、ピストン１が上死点に達するよりも早期に着火可能となるため、適切な点火時期を設定して成層燃焼に特有の良好な燃費性能とともに高出力を発揮させることが可能となる。
【００３０】
一方、燃料噴霧の一部はスワールにより該スワールの下流方向へと輸送されるが、このときキャビティ６がスワール下流方向について排気ポート側傾斜面１Ｂに突出した拡張部６Ｂを有しているため、スワールに対して点火プラグ３の上流側のキャビティ６内に多くの燃料を確保しておくことができ、これにより濃混合気層を維持しつつキャビティ６内の吸気流動を活用して良好な燃焼性能が得られる。
【００３１】
図３と図４にそれぞれ本発明の第２、第３の実施の形態を示す。図３は、キャビティ６の平面形状を、長軸が燃料噴射弁２の付近からスワール下流方向に沿うように形成した楕円形状とし、その一部を拡張部６Ｂとして排気ポート側傾斜面１Ｂ内に突出させたもの、図４はキャビティ６の平面形状を、一部を拡張部６Ｂとして排気ポート側傾斜面１Ｂに突出させた円形状としたものである。
【００３２】
図３の実施形態によれば、燃料噴射弁２の直下からスワール下流方向に沿った楕円形状のキャビティ形状としてあるので、シリンダ内に生じるスワール全体の流れがキャビティ６内に導入されやすく、これにより点火プラグ３付近への燃料噴霧の集中を促して着火性をより向上させることができる。また、図４の実施形態によれば、キャビティ６の平面形状を、部分的に排気ポート側傾斜面１Ｂに突出した円形状としてあるので、キャビティ内のスワールが減衰しにくく、それだけ点火プラグ３近傍への燃料輸送機会が増大して着火性が良好になるとともに活発な燃焼が得られる。またピストン１の加工が容易であるという利点もある。
【００３３】
図５〜図７は本発明の第４〜第６の実施形態を示しており、それぞれキャビティ６の形状としては、図５は図２のものに、図６は図３のものに、図７は図４の物に、それぞれ対応している。ただし、これらの実施形態は、ピストン上面の稜線Ｌつまり吸気ポート側傾斜面１Ａと排気ポート側傾斜面１Ｂの境界を燃焼室１２中央部よりも吸気ポート９側に偏った位置に設定してある点で先の実施形態とは異なる。
【００３４】
これらの実施形態によれば、燃焼室１２内でのキャビティ６の容量が比較的小となるので、ボア・ストローク比の比較的大きい機関において、キャビティ６内での燃料の分散を規制し、混合気の層状化を維持して良好な燃費性能を確保することができる。
【００３５】
図８〜図１０は本発明の第７〜第９の実施形態を示しており、それぞれキャビティ６の形状としては、図８は図２のものに、図９は図３のものに、図１０は図４の物に、それぞれ対応している。ただし、これらの実施形態は、ピストン上面の稜線Ｌを燃焼室１２中央部よりも排気ポート１３側に偏った位置に設定してある点で先の実施例とは異なる。
【００３６】
これらの実施形態によれば、燃料噴射弁２からキャビティ６の対向壁面までの距離が大きくなるので噴射されてからキャビティ壁面に衝突するまでの燃料気化時間が長期化して未燃ＨＣやスモークがそれだけ低減する効果が期待できる。また、ボア・ストローク比の比較的小さい機関において燃料噴霧を保持しうるだけのキャビティ容量を確保できるという利点もある。
【００３７】
ところで、上記各実施形態において、その燃料噴射弁２の向きを、噴霧中心がキャビティ拡張部６Ｂを指向するよう設定することができる。これにより、キャビティ主要部６Ａの壁面に衝突して点火プラグ３方向に案内すべき燃料噴霧の割合を調整しつつ噴射燃料の多くを確実にキャビティ６内に確保して層状燃焼の効果を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による筒内噴射式機関の第１の実施形態を示す概略縦断面図。
【図２】  第１の実施形態のピストンの平面図。
【図３】  本発明の第２の実施形態のピストンの平面図。
【図４】  本発明の第３の実施形態のピストンの平面図。
【図５】  本発明の第４の実施形態のピストンの平面図。
【図６】  本発明の第５の実施形態のピストンの平面図。
【図７】  本発明の第６の実施形態のピストンの平面図。
【図８】  本発明の第７の実施形態のピストンの平面図。
【図９】  本発明の第８の実施形態のピストンの平面図。
【図１０】  本発明の第９の実施形態のピストンの平面図。
【符号の説明】
１    ピストン
１Ａ  吸気ポート側傾斜面
１Ｂ  排気ポート側傾斜面
２    燃料噴射弁
３    点火プラグ
４    シリンダ
５    シリンダヘッド
６    キャビティ
６Ａ  キャビティ主要部
６Ｂ  キャビティ拡張部
７    吸気バルブ
８    排気バルブ
９ａ，９ｂ    吸気ポート
１０ａ，１０ｂ    吸気マニホールド
１１    吸気制御弁
１２    燃焼室
１３ａ，１３ｂ    排気ポート
Ｌ    傾斜面の境界（稜線）
【図１】
0004291423.tif 000002
【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】
0004291423.tif 000008
【図８】
0004291423.tif 000009
【図９】
0004291423.tif 000010
【図１０】
0004291423.tif 000011