(57)【要約】【課題】内燃機関において、燃焼室での火炎の成長を促進して燃焼効率の向上を図る。【解決手段】燃焼室１８に対して吸気ポート１９及び排気ポート２０を設けると共にこれを開閉する吸気弁２１及び排気弁２２を設け、燃焼室１８の天井中央部に点火プラグ４４を設ける一方、ピストン１４の頂面にキャビティ１４ａを設けて構成し、この燃焼室１８の天井面１８ａに、点火プラグ４４から排気ポート２０側にのみ延びる凹部６１を設ける。【選択図】        図１
2009281202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室と、
該燃焼室に連通する吸気ポート及び排気ポートと、
前記吸気ポート及び前記排気ポートをそれぞれ開閉可能な吸気弁及び排気弁と、
前記燃焼室の天井中央部に設けられる点火プラグと、
前記燃焼室の天井に対向するキャビティを有するピストンと、
前記吸気ポートまたは前記燃焼室に燃料を噴射可能な燃料噴射弁と、
を備える内燃機関において、
前記燃焼室の天井に前記点火プラグから前記排気ポート側にのみ延びる凹部が設けられる、
ことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記ピストンが上死点位置にあるとき、前記燃焼室の天井から前記点火プラグの放電ギャップ中心までの距離は、前記燃焼室の天井から前記キャビティまでの距離の２／５より短く設定されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記凹部は、排気ポート側の端部が、前記点火プラグの放電ギャップ中心から１０ｍｍ以上の位置に設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記凹部は、排気ポート側の端部が、前記点火プラグの放電ギャップ中心から１５ｍｍ以下の位置に設けられることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記凹部は、排気ポート側の端部に、半径１ｍｍ以下の曲面部または面取り部が形成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の内燃機関。
【請求項６】
前記凹部は、平面視が扇形状をなすことを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の内燃機関。
【請求項７】
前記点火プラグの軸中心と前記凹部の底面とのなす角度は、鈍角に設定されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の内燃機関。
【請求項８】
前記点火プラグの軸中心と前記燃焼室の天井面とのなす角度は、鈍角に設定されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の内燃機関。
【請求項９】
前記燃焼室の内径に対する前記ピストンのストロークの割合は、１．２以上に設定されることを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の内燃機関。
【請求項１０】
空気過剰率が１．２以上で、または、ＥＧＲ率が１０％以上の運転領域を有することを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料を吸気ポートまたは燃焼室に噴射可能であり、燃焼室内の混合気に対して、この燃焼室の天井中央部に設けられた点火プラグにより点火可能とした内燃機関に関し、特に燃焼室の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、エンジンにおける燃焼の効率化や低燃費化の観点から、希薄燃焼（リーンバーン）や高ＥＧＲ（排気ガス再循環）化における燃焼促進のニーズが高まっている。この場合、燃焼室に流入される吸気のタンブル流動を強化することで、燃焼の効率化や低燃費化を可能とすることが考えられている。
【０００３】
例えば、下記特許文献１に記載された直接噴射式エンジンでは、ピストンヘッドにあるペントルーフ形状の突出部を、シリンダの中心軸から排気側に偏心して形成し、この突出部に、クランクシャフトの軸線方向と直交する方向に凹んだボウルを形成し、このボウルを、排気側を開放すと共に、排気側の幅を吸気側の幅より広く、両側面が外側に凹んだ球面状で、底面が排気側から吸気側へ次第に深くなる傾斜面とし、吸気ポートを、吸気がボウルの排気側部分に向かって流入するように形成している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１９５００１号公報
【特許文献２】特開２００２−２７６４６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上述した従来の直接噴射式エンジンは、下記に説明するような問題がある。即ち、リーンバーンや高ＥＧＲ化を可能とする内燃機関では、混合気の渦の発生箇所がばらつくと、初期の燃焼が遅れることがあり、燃焼がサイクルごとに変動してしまう。図１１−１は、従来の内燃機関の燃焼室を表す断面図、図１１−２は、従来の内燃機関における点火状態を表す概略図、図１２−１は、従来の別の内燃機関の燃焼室を表す断面図、図１２−２は、従来の別の内燃機関における点火状態を表す概略図である。
【０００６】
従来の内燃機関において、図１１−１に示すように、燃焼室００１に対して吸気ポート００２及び排気ポート００３が形成され、吸気弁００４及び排気弁００５により開閉可能となっている。また、燃焼室００１には、その天井中央部に点火プラグ００６が設けられる一方、ピストン００７の頂面にキャビティ００８が形成されている。なお、吸気ポート００２に燃料を噴射可能な燃料噴射弁（図示略）が設けられている。
【０００７】
従って、吸気ポート００２から燃焼室００１内に流入した混合気は、タンブル流となって燃焼室００１内を流動し、ピストン００７の上昇に伴ってこのタンブル流が圧縮されて分裂する。このとき、タンブル流が分裂して発生した渦流Ａが燃焼室００１の中央部に移動すると、この渦流Ａの一部に点火プラグ００６の火花が着火して燃焼し、火炎Ｂがその渦流Ａの流れにより物理的に拡散し、燃焼室００１の全体に広がって良好な燃焼が得られる。ところが、図１１−２に示すように、タンブル流が分裂して発生した渦流Ａが燃焼室００１の下方にずれると、この渦流Ａの一部に点火プラグ００６の火花が着火して燃焼し、火炎Ｂがその渦流Ａの流れにのることができず、天井の壁面に沿って流れるために熱が奪われてしまう。すると、火炎Ｂは、その成長が遅くなり、燃焼室００１の全体に十分に広がらずに燃焼が悪化してしまう。
【０００８】
この場合、例えば、図１２−１に示すように、点火プラグ００６を燃焼室００１側に突き出して配置することが考えられる。点火プラグ００６を燃焼室００１側に突き出すと、渦流Ａが燃焼室００１の下方にずれたとき、この渦流Ａの一部に点火プラグ００６の火花が着火して燃焼し、火炎Ｂがその渦流Ａの流れにより物理的に拡散し、燃焼室００１の全体に広がって良好な燃焼が得られる。ところが、図１２−２に示すように、渦流Ａが燃焼室００１の中央部に移動すると、この渦流Ａの中心に点火プラグ００６の火花が着火して燃焼することから、火炎Ｂがその渦流Ａの流れにのることができず、火炎Ｂはその成長が遅くなり、燃焼室００１の全体に十分に広がらずに燃焼が悪化してしまう。
【０００９】
なお、上記特許文献２の記載されたシリンダヘッドでは、点火プラグを取り付けるための取付穴の周辺部分に、この取付穴を含んで厚さ方向に窪んだ凹部を形成している。しかし、点火プラグの全周に凹部を形成すると、タンブル流やこのタンブル流から分裂して発生した渦流の流れが乱されて弱まり、火炎の成長が抑制されて燃焼が悪化してしまうおそれがある。
【００１０】
本発明は、このような問題を解決するためのものであって、燃焼室での火炎の成長を促進して燃焼効率の向上を図る内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の内燃機関は、燃焼室と、該燃焼室に連通する吸気ポート及び排気ポートと、前記吸気ポート及び前記排気ポートをそれぞれ開閉可能な吸気弁及び排気弁と、前記燃焼室の天井中央部に設けられる点火プラグと、前記燃焼室の天井に対向するキャビティを有するピストンと、前記吸気ポートまたは前記燃焼室に燃料を噴射可能な燃料噴射弁と、を備える内燃機関において、前記燃焼室の天井に前記点火プラグから前記排気ポート側にのみ延びる凹部が設けられる、ことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の内燃機関では、前記ピストンが上死点位置にあるとき、前記燃焼室の天井から前記点火プラグの放電ギャップ中心までの距離は、前記燃焼室の天井から前記キャビティまでの距離の２／５より短く設定されることを特徴としている。
【００１３】
本発明の内燃機関では、前記凹部は、排気ポート側の端部が、前記点火プラグの放電ギャップ中心から１０ｍｍ以上の位置に設けられることを特徴としている。
【００１４】
本発明の内燃機関では、前記凹部は、排気ポート側の端部が、前記点火プラグの放電ギャップ中心から１５ｍｍ以下の位置に設けられることを特徴としている。
【００１５】
本発明の内燃機関では、前記凹部は、排気ポート側の端部に、半径１ｍｍ以下の曲面部または面取り部が形成されることを特徴としている。
【００１６】
本発明の内燃機関では、前記凹部は、平面視が扇形状をなすことを特徴としている。
【００１７】
本発明の内燃機関では、前記点火プラグの軸中心と前記凹部の底面とのなす角度は、鈍角に設定されることを特徴としている。
【００１８】
本発明の内燃機関では、前記点火プラグの軸中心と前記燃焼室の天井面とのなす角度は、鈍角に設定されることを特徴としている。
【００１９】
本発明の内燃機関では、前記燃焼室の内径に対する前記ピストンのストロークの割合は、１．２以上に設定されることを特徴としている。
【００２０】
本発明の内燃機関では、空気過剰率が１．２以上で、または、ＥＧＲ率が１０％以上の運転領域を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の内燃機関によれば、燃焼室の天井に点火プラグから排気ポート側にのみ延びる凹部を設けるので、燃焼室内で、混合気の渦の位置が上下にばらついても、着火後の火炎は、凹部により燃焼室の天井壁面への接触が抑制され、燃焼温度の低下が抑制されることとなり、燃焼室での火炎の成長が促進されて燃焼効率の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、本発明に係る内燃機関の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００２３】
図１は、本発明の実施例１に係る内燃機関における燃焼室を表す概略図、図２は、実施例１の内燃機関における燃焼室の天井を表す図１のII−II断面図、図３は、燃焼室の凹部を表す概略図、図４は、実施例１の内燃機関の燃焼室に発生するタンブル流を表す概略図、図５乃至図７は、実施例１の内燃機関の燃焼室における燃焼状態を表す概略図、図８は、点火放電からの時間に対する放電ギャップから火炎先端までの距離を表すグラフ、図９は、実施例１の内燃機関における全体構成を表す概略構成図である。
【００２４】
実施例１の内燃機関において、図９に示すように、シリンダブロック１１上にシリンダヘッド１２が締結されており、このシリンダブロック１１に形成された複数のシリンダボア１３にピストン１４がそれぞれ上下移動自在に嵌合している。そして、シリンダブロック１１の下部にクランクケース１５が締結され、このクランクケース１５内にクランクシャフト１６が回転自在に支持されており、各ピストン１４はコネクティングロッド１７を介してこのクランクシャフト１６にそれぞれ連結されている。
【００２５】
燃焼室１８は、シリンダブロック１１におけるシリンダボア１３の壁面とシリンダヘッド１２の下面とピストン１４の頂面により構成されており、この燃焼室１８は、上部（シリンダヘッド１２の下面）の中央部が高くなるように傾斜したペントルーフ形状をなしている。そして、この燃焼室１８の上部、つまり、シリンダヘッド１２の下面に吸気ポート１９及び排気ポート２０が対向して形成されており、この吸気ポート１９及び排気ポート２０に対して吸気弁２１及び排気弁２２の下端部がそれぞれ位置している。この吸気弁２１及び排気弁２２は、シリンダヘッド１２に軸方向に沿って移動自在に支持されると共に、吸気ポート１９及び排気ポート２０を閉止する方向（図１にて上方）に付勢支持されている。また、シリンダヘッド１２には、吸気カムシャフト２３及び排気カムシャフト２４が回転自在に支持されており、吸気カム及び排気カムが吸気弁２１及び排気弁２２の上端部に接触している。
【００２６】
なお、図示しないが、クランクシャフト１６に固結されたクランクシャフトスプロケットと、吸気カムシャフト２３及び排気カムシャフト２４にそれぞれ固結された各カムシャフトスプロケットとは、無端のタイミングチェーンが掛け回されており、クランクシャフト１６と吸気カムシャフト２３と排気カムシャフト２４が連動可能となっている。
【００２７】
従って、クランクシャフト１６に同期して吸気カムシャフト２３及び排気カムシャフト２４が回転すると、吸気カム及び排気カムが吸気弁２１及び排気弁２２を所定のタイミングで上下移動することで、吸気ポート１９及び排気ポート２０を開閉し、吸気ポート１９と燃焼室１８、燃焼室１８と排気ポート２０とをそれぞれ連通することができる。この場合、この吸気カムシャフト２３及び排気カムシャフト２４は、クランクシャフト１６が２回転（７２０度）する間に１回転（３６０度）するように設定されている。そのため、エンジンは、クランクシャフト１６が２回転する間に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の４行程を実行することとなり、このとき、吸気カムシャフト２３及び排気カムシャフト２４が１回転することとなる。
【００２８】
また、このエンジンの動弁機構は、運転状態に応じて吸気弁２１及び排気弁２２を最適な開閉タイミングに制御する吸気可変動弁機構（ＶＶＴ：Variable Valve Timing-intelligent）２５となっている。この吸気可変動弁機構２５は、吸気カムシャフト２３の軸端部にＶＶＴコントローラ２６が設けられて構成され、オイルコントロールバルブ２７からの油圧をこのＶＶＴコントローラ２６の図示しない進角室及び遅角室に作用させることによりカムスプロケットに対する吸気カムシャフト２３の位相を変更し、吸気弁２１の開閉時期を進角または遅角することができるものである。この場合、吸気可変動弁機構２５は、吸気弁２１の作用角（開放期間）を一定としてその開閉時期を進角または遅角する。また、吸気カムシャフト２３には、その回転位相を検出するカムポジションセンサ２８が設けられている。
【００２９】
吸気ポート１９には、吸気マニホールド２９を介してサージタンク３０が連結され、このサージタンク３０に吸気管３１が連結されており、この吸気管３１の空気取入口にはエアクリーナ３２が取付けられている。そして、このエアクリーナ３２の下流側にスロットル弁３３を有する電子スロットル装置３４が設けられている。
【００３０】
排気ポート２０には、排気マニホールド３５を介して排気管３６が連結されており、この排気管３６には排気ガス中に含まれる有害物質を浄化処理する三元触媒３７及びＮＯｘ吸蔵還元型触媒３８が装着されている。この三元触媒３７は、空燃比（排気空燃比）がストイキのときに排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを酸化還元反応により同時に浄化処理するものである。ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３８は、空燃比（排気空燃比）がリーンのときに排気ガス中に含まれるＮＯｘを一旦吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が低下したリッチ燃焼領域またはストイキ燃焼領域にあるときに、吸蔵したＮＯｘを放出し、添加した還元剤としての燃料によりＮＯｘを還元するものである。
【００３１】
吸気管３１におけるサージタンク３０の下流側と、排気管３６における三元触媒３７の上流側との間には、排気ガス再循環通路（ＥＧＲ通路）３９が設けられており、このＥＧＲ通路３９には、ＥＧＲ弁４０とＥＧＲクーラ４１が設けられている。また、このＥＧＲ通路３９におけるＥＧＲ弁４０より吸気管３１側に、ＥＧＲガスの温度を検出するＥＧＲガス温度センサ４２が設けられている。
【００３２】
シリンダヘッド１２には、吸気ポート１９に燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）４３が装着されており、このインジェクタ４３は、シリンダヘッド１２の吸気マニホールド２９に装着され、水平上端から下方に所定角度傾斜して配置されている。各気筒に対応して装着されるインジェクタ４３は図示しないデリバリパイプに連結され、このデリバリパイプには、燃料供給管を介して燃料供給系が連結されている。
【００３３】
また、シリンダヘッド１２には、燃焼室１８の上方に位置して、具体的には、燃焼室１８の天井における最上壁部に、混合気に着火する点火プラグ４４が装着されている。この点火プラグ４４は、図１乃至図３に示すように、支持面４４ａから中心ＯＰに沿って下方に延びる中心電極４４ｂと、先端部にこの中心電極４４ｂと絶縁体（図示略）を介して対向する位置に装着された接地電極４４ｃとを有しており、中心電極４４ｂと接地電極４４ｃとの間には放電ギャップＧが設けられている。従って、この点火プラグ４４にて、中心電極４４ｂと接地電極４４ｃとの間に火花放電を発生させることで、燃焼室１８を流動する混合気に着火することができる。
【００３４】
また、この燃焼室１８の天井面１８ａに配置された点火プラグ４４の下方に対向して、ピストン１４の頂面には、楕円形状をなすキャビティ１４ａが設けられている。この場合、キャビティ１４ａは、燃焼室１８（シリンダボア１３、ピストン１４）の中心ＯＲに設けられ、この中心ＯＲが最深位置となっている。そして、点火プラグ４４の中心ＯＰは、この燃焼室１８の中心ＯＲに対して、排気ポート２０側に所定距離Ｓだけずれるように配置されている。また、本実施例では、ピストン１４が上死点位置（図１に示す位置）にあるとき、燃焼室１８の天井面１８ａにおける最上位置、実際には、点火プラグ４４の支持面４４ａから、この点火プラグ４４の放電ギャップ中心ＯＧまでの距離ＬＧは、燃焼室１８における最上位置（点火プラグ４４の支持面４４ａ）からキャビティ１４ａの最深位置までの距離ＬＣの２／５より短く設定されている。なお、本実施例では、距離ＬＣは、２０ｍｍに設定され、距離ＬＧは、５ｍｍに設定されている。
【００３５】
図９に戻り、車両には、電子制御ユニット（ＥＣＵ）５１が搭載されており、このＥＣＵ５１は、インジェクタ４３の燃料噴射タイミングや点火プラグ４４の点火時期などを制御可能となっており、検出した吸入空気量、吸気温度、スロットル開度、アクセル開度、エンジン回転数、冷却水温などのエンジン運転状態に基づいて燃料噴射量、噴射時期、点火時期などを決定している。
【００３６】
即ち、吸気管３１の上流側にはエアフローセンサ５２及び吸気温センサ５３が装着され、計測した吸入空気量及び吸気温度をＥＣＵ５１に出力している。電子スロットル装置３４にはスロットルポジションセンサ５４が設けられ、アクセルペダルにはアクセルポジションセンサ５５が設けられており、現在のスロットル開度及びアクセル開度をＥＣＵ５１に出力している。クランクシャフト１６にはクランク角センサ５６が設けられ、検出したクランク角度をＥＣＵ５１に出力し、ＥＣＵ５１はクランク角度に基づいて各気筒における吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程を判別すると共に、エンジン回転数を算出する。また、シリンダブロック１１には水温センサ５７が設けられており、検出したエンジン冷却水温をＥＣＵ５１に出力している。
【００３７】
また、排気管３６における三元触媒３７より上流側に、空燃比（Ａ／Ｆ）センサ（または、酸素センサ）５８が設けられている。このＡ／Ｆセンサ５８は、燃焼室１８から排気ポート２０及び排気マニホールド３５を通して排気管３６に排気された排気ガスの排気空燃比（酸素量）を検出し、検出した排気空燃比をＥＣＵ５１に出力している。ＥＣＵ５１は、Ａ／Ｆセンサ５８が検出した排気空燃比をフィードバックし、エンジン運転状態に応じて設定された目標空燃比と比較することで、燃料噴射量を補正している。
【００３８】
また、ＥＣＵ５１は、エンジン運転状態に基づいて吸気可変動弁機構２５を制御可能となっている。即ち、低温時、エンジン始動時、アイドル運転時や軽負荷時には、排気弁２２の閉止時期と吸気弁２１の開放時期のオーバーラップをなくすことで、排気ガスが吸気ポート１９または燃焼室１８に吹き返す量を少なくし、燃焼安定及び燃費向上を可能とする。また、中負荷時には、このオーバーラップを大きくすることで、内部ＥＧＲ率を高めて排ガス浄化効率を向上させると共に、ポンピングロスを低減して燃費向上を可能とする。更に、高負荷低中回転時には、吸気弁２１の閉止時期を進角することで、吸気が吸気ポート１９に吹き返す量を少なくし、体積効率を向上させる。そして、高負荷高回転時には、吸気弁２１の閉止時期を回転数にあわせて遅角することで、吸入空気の慣性力に合わせたタイミングとし、体積効率を向上させる。
【００３９】
このように構成された実施例１の内燃機関は、燃焼室１８（シリンダボア１３）の内径に対するピストン１４のストロークの割合は、１．２以上に設定されている。即ち、ピストン１４のストロークが大きく確保されることで、燃焼室１８内での混合気の流れが比較的速くなる。また、この内燃機関は、空気過剰率が１．２以上で、且つ、ＥＧＲ率が１０％以上の運転領域で運転可能となっている。即ち、燃料に対する空気（排気）の割合が多い、希薄燃焼となり、燃焼速度が比較的遅い。更に、この内燃機関では、燃焼室１８内に流入する燃料と空気の混合気がタンブル流（縦渦）となるように、吸気ポート１９の形状とキャビティ１４ａの形状が適正に設定されている。
【００４０】
そして、本実施例の内燃機関では、図１乃至図３に示すように、燃焼室１８は、その天井面１８ａに点火プラグ４４から排気ポート２０側にのみ延びる凹部６１が設けられている。本実施例にて、この凹部６１は、平面視が扇形状をなし、２つの排気ポート２０の間で、点火プラグ４４からこの排気ポート２０側に向かってその幅が広がる形状となっている。この凹部６１は、点火プラグ４４の支持面４４ａから所定角度だけ上方に傾斜した底面６１ａと、この底面６１ａの端部から燃焼室１８の天井面１８ａに続く傾斜面６１ｂと、この傾斜面６１ｂと天井面１８ａとの間に設けられた曲面６１ｃとを有している。
【００４１】
そして、点火プラグ４４の中心ＯＰと凹部６１の底面６１ａとのなす角度θＤは、鈍角、つまり、９０度以上となるように底面６１ａの角度が設定されており、本実施例では、１００度となっている。そして、曲面６１ｃは、半径１ｍｍ（Ｒ１）以下に設定されている。この場合、傾斜面６１ｂと天井面１８ａとの間を曲面６１ｃにより構成したが、Ｃ１の面取り部としてもよい。
【００４２】
また、この凹部６１は、排気ポート２０側の端部（曲面６１ｃ）が、点火プラグ４４の放電ギャップ中心ＯＧからの距離ＬＤが１０ｍｍ以上の位置に設けられることが望ましい。更に、この凹部６１は、排気ポート２０側の端部（曲面６１ｃ）が、点火プラグ４４の放電ギャップ中心ＯＧからの距離ＬＤが１５ｍｍ以下の位置に設けられることが望ましい。この場合、距離ＬＤは、１２ｍｍが最適である。
【００４３】
ここで、本実施例の内燃機関における燃焼室１８での燃焼について、図４乃至図７を用いて詳細に説明する。
【００４４】
図４に示すように、吸気弁２１が下降することで吸気ポート１９が開放されると、燃料と空気の混合気がこの吸気ポート１９から燃焼室１８内に流入する。この燃焼室１８に流入した混合気は、ピストン１４のキャビティ１４ａによりタンブル流Ｔとなって燃焼室１８内を旋回する。そして、ピストン１４上昇に伴ってこのタンブル流が圧縮されて分裂し、多数の渦流を生成する。
【００４５】
このとき、図５に示すように、タンブル流Ｔが分裂して発生した渦流Ａが、燃焼室１８の中央部にあるとき、この渦流Ａに点火プラグ４４の火花が着火して燃焼し、火炎Ｂがその渦流Ａの流れにより物理的に拡散し、燃焼室１８の全体に広がって良好な燃焼が得られる。また、図６に示すように、タンブル流Ｔが分裂して発生した渦流Ａが、燃焼室１８の中央部から下方にずれたとき、この渦流Ａに点火プラグ４４の火花が着火して燃焼し、火炎Ｂがその渦流Ａの流れにのることができず、燃焼室１８の上方側に流れる。ところが、点火プラグ４４により排気ポート２０側の燃焼室１８の天井面１８ａには、凹部６１が設けられていることから、図７に示すように、この火炎Ｂは、燃焼室１８の天井面１８ａに接触することなく、排気側に流れて拡散し、燃焼室１８の全体に広がって良好な燃焼が得られる。なお、この火炎Ｂは、凹部６１の曲面６１ｃによりその流れが乱されることで、燃焼室１８内で拡散しやすくなる。火炎Ｂは、ここまで成長すると、燃焼室１８の壁面による冷却に打ち勝って燃焼する熱量を有しており、壁面冷却による燃焼抑制を上回る燃焼促進効果が得られる。
【００４６】
ここで、一般的な内燃機関における点火直後の火炎の成長を図８に示す。この場合、内燃機関は、排気量が１８００ｃｃ、４気筒ポート噴射式火花点火エンジンを適用している。また、運転条件は、２０００ｒ／ｍｉｎ、図示平均有効圧０．２ＭＰａ、ＥＧＲ率１３％、理論空燃比である。そして、この内燃機関を上記の運転条件で運転し、点火直後の燃焼室を可視化し、高速撮影により火炎の状態を撮影した。図８は、このときの点火放電からの時間に対する放電ギャップから火炎先端までの距離を表すグラフである。この図８に示すグラフからわかるように、点火直後の火花は、燃焼が緩慢であるために成長、つまり、火炎先端が移動する速度は遅いが、放電ギャップから火炎先端までの距離が３ｍｍを越えたあたりから早くなり、この距離が１０ｍｍまで加速している。即ち、距離が３〜１０ｍｍまでの火炎の速度が速く（グラフの傾きが大きく）なる。そのため、この領域に、燃焼室１８の凹部６１を設けることで、火炎が燃焼室１８の天井面１８ａに接触することを抑制し、燃焼温度の低下を防止することができる。
【００４７】
このように実施例１の内燃機関にあっては、燃焼室１８に対して吸気ポート１９及び排気ポート２０を設けると共にこれを開閉する吸気弁２１及び排気弁２２を設け、燃焼室１８の天井中央部に点火プラグ４４を設ける一方、ピストン１４の頂面にキャビティ１４ａを設けて構成し、燃焼室１８の天井面１８ａに、点火プラグ４４から排気ポート２０側にのみ延びる凹部６１を設けている。
【００４８】
従って、燃焼室１８内で、混合気の渦の位置が上下にばらついても、着火後の火炎は、凹部６１により燃焼室１８の天井面１８ａへの接触が抑制され、燃焼温度の低下が抑制されることとなり、燃焼室１８での火炎の成長が促進されて燃焼効率の向上を図ることができる。
【００４９】
また、実施例１の内燃機関では、ピストン１４が上死点位置にあるとき、燃焼室１８の天井面１８ａから点火プラグ４４の放電ギャップの中心までの距離を、燃焼室１８の天井面１８ａからキャビティ１４ａまでの距離の２／５より短く設定している。従って、点火プラグ４４を上方、つまり、燃焼室１８の天井面１８ａに近づけて配置することで、点火プラグ４４により、発生した混合気の渦の中心に着火されることが抑制され、点火後の火炎が渦の流れにのり、適正に拡散させることができる。
【００５０】
また、実施例１の内燃機関では、凹部６１を、排気ポート２０側の端部が点火プラグ４４の放電ギャップ中心から１０ｍｍ以上で、且つ、１５ｍｍ以下の位置に設けている。従って、凹部６１の位置を適正位置に設けることで、火炎の成長力を抑制することなく、燃焼室１８の全体に適正に広げることができ、燃焼速度を速くすることができる。
【００５１】
また、実施例１の内燃機関では、凹部６１は、排気ポート２０側の端部に、半径１ｍｍ以下の曲面６１ｃを設けている。従って、火炎がこの曲面６１ｃにより乱されることで、燃焼を促進させることができる。
【００５２】
また、実施例１の内燃機関では、凹部６１は、平面視が扇形状をなしている。従って、凹部６１を、燃焼室１８内での火炎の広がりに応じた形状とすることで、火炎と燃焼室１８の天井面１８ａとの接触を効果的に抑制することができる。
【００５３】
また、実施例１の内燃機関では、点火プラグ４４の軸中心と凹部６１の底面６１ａとのなす角度を鈍角に設定している。従って、凹部６１を、燃焼室１８内での火炎の広がりに応じた形状とすることで、火炎と燃焼室１８の天井面１８ａとの接触を効果的に抑制することができる。
【００５４】
また、実施例１の内燃機関では、燃焼室１８の内径に対するピストン１４のストロークの割合を、１．２以上、つまり、本発明を、ピストン１４のストロークが大きく確保されることで、燃焼室１８内での混合気の流れが比較的速くなる内燃機関に適用されている。従って、凹部６１により燃焼効率を効果的に良好とすることができる。また、実施例１の内燃機関では、空気過剰率が１．２以上で、または、ＥＧＲ率が１０％以上の運転領域で運転可能、つまり、燃料に対する空気（排気）の割合が多い内燃機関に適用されている。従って、凹部６１により、希薄燃焼であっても、燃焼効率を良好とすることができる。
【実施例２】
【００５５】
図１０は、本発明の実施例２に係る内燃機関における燃焼室を表す概略図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００５６】
実施例２の内燃機関では、図１０に示すように、点火プラグ４４の中心ＯＰと燃焼室１８の天井面１８ａとのなす角度θＰは、鈍角、つまり、９０度以上となるように点火プラグ４４の軸中心ＯＰの角度が設定されている。即ち、点火プラグ４４の支持面４４ａが燃焼室１８の水平面（燃焼室１８の中心ＰＲに直行する面）に対して角度θＲだけ傾斜している。この場合、点火プラグ４４の先端部（下端部）が吸気ポート１９側に傾斜することで、点火プラグ４４の先端部側の中心ＯＰと燃焼室１８の天井面１８ａとのなす角度θＰが鈍角となっている。
【００５７】
従って、タンブル流が分裂して発生した渦流が、燃焼室１８の中央部にあるとき、この渦流に点火プラグ４４の火花が着火して燃焼し、火炎がその渦流の流れにより物理的に拡散し、燃焼室１８の全体に広がって良好な燃焼が得られる。また、この渦流が、燃焼室１８の中央部から下方にずれたとき、この渦流に点火プラグ４４の火花が着火して燃焼し、火炎がその渦流の流れにのることができず、燃焼室１８の上方側に流れる。ところが、点火プラグ４４は先端部（下端部）が吸気ポート１９側にずれて傾斜して配置されていることから、この火炎は、燃焼室１８の天井面１８ａに接触することなく、排気側に流れて拡散し、燃焼室１８の全体に広がって良好な燃焼が得られる。
【００５８】
このように実施例２の内燃機関にあっては、燃焼室１８に対して吸気ポート１９及び排気ポート２０を設けると共にこれを開閉する吸気弁２１及び排気弁２２を設け、燃焼室１８の天井中央部に点火プラグ４４を設ける一方、ピストン１４の頂面にキャビティ１４ａを設けて構成し、点火プラグ４４の中心と燃焼室１８の天井面１８ａとのなす角度が鈍角となるように、つまにり、点火プラグ４４をその先端が吸気ポート１９側に位置するように傾斜して配置している。
【００５９】
従って、燃焼室１８内で、混合気の渦の位置が上下にばらついても、着火後の火炎は、点火プラグ４４の支持面４４ａにガイドされることで、燃焼室１８の天井面１８ａへの接触が抑制され、燃焼温度の低下が抑制されることとなり、燃焼室１８での火炎の成長が促進されて燃焼効率の向上を図ることができる。
【００６０】
なお、この実施例２に、上述した実施例１のように、燃焼室１８の天井面１８ａに点火プラグ４４から排気ポート２０側にのみ延びる凹部を設けてもよく、この場合、より一層の燃焼効率の向上効果を得ることができる。
【００６１】
なお、上述した各実施例では、本発明の内燃機関を、燃料を吸気ポートに噴射するポート噴射式エンジンとして説明したが、燃料を燃焼室に直接噴射する筒内噴射式エンジンに適用しても、同様の作用効果を奏することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
以上のように、本発明に係る内燃機関は、燃焼室の天井面に点火プラグから排気側にのみ延びる凹部を設けることで、燃焼室での火炎の成長を促進して燃焼効率の向上を図るものであり、いずれの内燃機関にも有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施例１に係る内燃機関における燃焼室を表す概略図である。
【図２】実施例１の内燃機関における燃焼室の天井を表す図１のII−II断面図である。
【図３】燃焼室の凹部を表す概略図である。
【図４】実施例１の内燃機関の燃焼室に発生するタンブル流を表す概略図である。
【図５】実施例１の内燃機関の燃焼室における燃焼状態を表す概略図である。
【図６】実施例１の内燃機関の燃焼室における燃焼状態を表す概略図である。
【図７】実施例１の内燃機関の燃焼室における燃焼状態を表す概略図である。
【図８】点火放電からの時間に対する放電ギャップから火炎先端までの距離を表すグラフである。
【図９】実施例１の内燃機関における全体構成を表す概略構成図である。
【図１０】本発明の実施例２に係る内燃機関における燃焼室を表す概略図である。
【図１１−１】従来の内燃機関の燃焼室を表す断面図である。
【図１１−２】従来の内燃機関における点火状態を表す概略図である。
【図１２−１】従来の別の内燃機関の燃焼室を表す断面図である。
【図１２−２】従来の別の内燃機関における点火状態を表す概略図である。
【符号の説明】
【００６４】
１４  ピストン
１４ａ  キャビティ
１８  燃焼室
１８ａ  天井面
１９  吸気ポート
２０  排気ポート
２１  吸気弁
２２  排気弁
４３  インジェクタ
４４  点火プラグ
４４ａ  支持面
４４ｂ  中心電極
４４ｃ  接地電極
６１  凹部
６１ａ  底面
６１ｂ  傾斜面
６１ｃ  曲面
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１−１】
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【図１１−２】
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【図１２−１】
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【図１２−２】
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