(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室略中央部に配置した点火プラグと、気筒列方向と直交する方向の一側に配置した吸気弁と、他側に配置した排気弁と、吸気弁近傍から燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、を備えた筒内噴射式内燃機関において、
ピストン冠面に、気筒列方向に軸線を持つ円筒面を有して点火プラグに対応する中央隆起部と、同じく円筒面を有して中央隆起部の気筒列方向両側に位置する外側隆起部と、を形成し、中央隆起部と外側隆起部との頂上部位置を気筒列方向と直交する方向に互いにオフセットさせたことを特徴とする筒内噴射式内燃機関。
【請求項２】
中央隆起部を、外側隆起部に対して吸気弁側に配置したことを特徴とする請求項１記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項３】
中央隆起部を、外側隆起部に対して排気弁側に配置したことを特徴とする請求項１記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項４】
中央隆起部の気筒列方向の幅をシリンダボア直径の４０〜８０％、円筒面の曲率半径をシリンダボア直径の２０〜６５％に設定したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項５】
オフセット量をシリンダボア半径の１０％以上に設定したことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の筒内噴射式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射式内燃機関の性能向上を図った技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の筒内噴射式内燃機関としては、特開平６−８１６５１号に示されているように吸気の旋回流が吸気弁から略下向きに燃料噴射弁の噴射方向線を横切ってピストン冠面（キャビティ燃焼室）側に向かい、ピストン冠面で反転して燃焼室略中央部の点火プラグに向かう縦方向の流れとなる逆タンブル流を生成するものや、筒内噴射式内燃機関ではないが層状燃焼を行うためのものとして、特開平７−１９０４６号に示されるように吸気の旋回流が燃焼室の排気弁側を下向きに流れ、ピストン冠面で反転して燃焼室の吸気弁側を上向きに流れて点火プラグに向かう流れとなるタンブル流を生成するものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、第１の従来例（特開平６−８１６５１号）では、安定した成層燃焼を行わせるため、逆タンブル流とピストン冠面（キャビティ燃焼室）とを用いて、点火プラグ近傍に燃料を集めようとしているために、噴射燃料がピストン冠面に衝突し、ピストン冠面に燃料が液膜状に付着して出力不足を来してしまうのみならず、スモークや未燃ＨＣの発生原因になったり、付着した燃料がデポジットとして堆積してしまい、燃費、エミッションが悪化してしまう可能性がある。
【０００４】
また、第２の従来例（特開平７−１９０４６号）では、強いタンブル流を生成して燃料の層状化を行っているが、吸気ポートからの燃料噴射では燃料が吸気全体に気化してしまい、点火プラグ近傍のみに可燃混合気を形成するのは難しい。
【０００５】
そこで、タンブル流を生成する一方、吸気弁近傍から燃焼室内に直接燃料を噴射して、噴射燃料をピストン冠面で反転した後のタンブル流に乗せて点火プラグ近傍へ輸送することにより、成層燃焼を実現するのがよいと考えられている。
【０００６】
しかし、圧縮行程で燃料を噴射するまでにタンブル流が崩壊してしまうと、噴射燃料を点火プラグへ層状に輸送することが困難となって、燃焼安定性が悪化し、また点火プラグへ向かうタンブル流からこぼれた燃料により、未燃ＨＣの発生やデポジットの堆積を招き、燃費、エミッションが悪化する恐れがあるという問題点があった。
【０００７】
本発明は、上記の問題点に鑑み、点火プラグへ向かうタンブル流の崩壊を防ぐと共に、燃料の噴霧が点火プラグ近傍に確実に導かれるようにすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明は、燃焼室略中央部に配置した点火プラグと、気筒列方向と直交する方向の一側に配置した吸気弁と、他側に配置した排気弁と、吸気弁近傍から燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、を備えた筒内噴射式内燃機関において、ピストン冠面に、気筒列方向に軸線を持つ円筒面を有して点火プラグに対応する中央隆起部と、同じく円筒面を有して中央隆起部の気筒列方向両側に位置する外側隆起部と、を形成し、中央隆起部と外側隆起部との頂上部位置を気筒列方向と直交する方向に互いにオフセットさせたことを特徴とする（請求項１）。
【０００９】
すなわち、タンブル流形成用のピストン冠面上のスロープ（隆起部）を中央部（中央隆起部）と左右部（外側隆起部）とに分け、中央のタンブル流が崩壊するのを左右のタンブル流により防ぐと共に、中央のタンブル流からこぼれようとする燃料の噴霧が左右のタンブル流により点火プラグ近傍に確実に導かれるようにする。
【００１０】
ここで、中央隆起部は、外側隆起部に対して吸気弁側に配置してもよいし（請求項２）、外側隆起部に対して排気弁側に配置してもよい（請求項３）。中央隆起部を外側隆起部に対して吸気弁側に配置した場合は、左右のタンブル流により、中央のタンブル流に乗り損ねてシリンダボア側にこぼれた燃料を拾って、点火プラグへ送る作用があり、中央隆起部を外側隆起部に対して排気弁側に配置した場合は、左右のタンブル流により、空気の壁を作って、燃料がシリンタボア方向にこぼれないようにし、燃料を中央のタンブル流の流れに集めて、点火プラグへ確実に送る作用がある。
【００１１】
また、中央隆起部については、その気筒列方向の幅をシリンダボア直径の４０〜８０％、円筒面の曲率半径をシリンダボア直径の２０〜６５％に設定するとよい（請求項４）。
【００１２】
また、オフセット量は、シリンダボア半径の１０％以上に設定するとよい（請求項５）。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、左右のタンブル流により中央のタンブル流を保持し、燃料を点火プラグへ層状に確実に輸送でき、安定した燃焼を行わせることができる。また、左右のタンブル流は、こぼれた燃料を集める効果もあるため、未燃ＨＣの発生や、デポジット堆積を抑制できて燃焼を安定化し、より一層燃費、エミッションの向上を図ることができる。
【００１４】
請求項２に係る発明によれば、中央隆起部を外側隆起部に対して吸気弁側に配置することで、左右のタンブル流により、中央のタンブル流に乗り損ねてシリンダボア側にこぼれた燃料を拾って、点火プラグへ確実に輸送できる。
【００１５】
請求項３に係る発明によれば、中央隆起部を外側隆起部に対して排気弁側に配置することで、左右のタンブル流により、空気の壁を作って、燃料がシリンタボア方向にこぼれないようにし、燃料を中央のタンブル流の流れに集めて、点火プラグへ確実に輸送できる。
【００１６】
請求項４に係る発明によれば、中央隆起部の気筒列方向の幅をシリンダボア直径の４０〜８０％、円筒面の曲率半径をシリンダボア直径の２０〜６５％に設定することで、燃焼安定性を向上できると共に、タンブル流強さを向上させて保存性を向上できる（図７及び図８参照）。
【００１７】
請求項５に係る発明によれば、オフセット量をシリンダボア半径の１０％以上に設定することで、こぼれた燃料を集める効果を向上できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１及び図２は本発明の第１実施形態を示している。
【００１９】
まず構成を説明すると、１はシリンダブロック、２はシリンダヘッド、３はピストン、４はこれらシリンダブロック１、シリンダヘッド２、ピストン３とで形成された燃焼室を示す。
【００２０】
シリンダヘッド２は、気筒列方向と直交する方向の一側に配置した２つの吸気弁５と、他側に該吸気弁５と対向配置した２つの排気弁６とを備え、吸気ポート７から吸気して排気ポート８から排気するクロスフローポート構造としている。吸気ポート７は燃焼室４内で吸気の縦方向旋回流として矢印ａ，ｂで示すタンブル流を形成しやすいようにしてある。
【００２１】
シリンダヘッド２にはまた、燃焼室４の略中央部に点火プラグ９を配置してあると共に、吸気弁５近傍の燃焼室４の側部に燃料噴射弁１０を配置して、該燃料噴射弁１０から直接燃焼室４内に燃料を噴射するようにしてある。
【００２２】
一方、ピストン３の冠面に吸気のタンブル流ａ，ｂを助長するようにその流れ方向に円弧となる形状の隆起部（スロープ）１１，１２を形成してある。
ここで、隆起部（スロープ）１１，１２はピストン３の冠面を３分割するように配置される。すなわち、ピストン３の冠面に、気筒列方向に軸線を持つ円筒面を有して点火プラグ９に対応する中央隆起部１１と、同じく円筒面を有して中央隆起部１１の気筒列方向両側に位置する外側隆起部１２，１２と、を形成し、中央隆起部１１と外側隆起部１２との頂上部位置を気筒列方向と直交する方向に互いにオフセットさせている。
【００２３】
本実施形態では、中央部隆起部１１を左右の外側隆起部１２に対して吸気弁５側に配置し、中央隆起部１１の幅（気筒列方向の幅）をシリンダボア直径の４０〜８０％（図７参照）、円筒面の曲率半径をシリンダボア直径の２０〜６５％（図８参照）、頂上部位置をピストン冠面中心から吸気側にシリンダボア半径の４０〜８０％の位置に設定している。また、左右の外側隆起部１２の円筒面の曲率半径を中央隆起部１１の円筒面の曲率半径の７０〜１１０％、外側隆起部１２の頂上部位置を中央隆起部１１の頂上部位置よりシリンダボア半径の１０％以上排気弁６側位置に設定している。
【００２４】
以上の実施形態の構造によれば、ピストン３冠面上の左右の外側隆起部１２によるタンブル流ｂにより、中央隆起部１１により形成されるタンブル流ａが外側から崩壊するのを防ぎ、流れを保持するので、中央のタンブル流ａの保存性が良好となる。従って、成層燃焼時に圧縮行程で燃料噴射弁１０から噴射された燃料をこのタンブル流ａに乗せて点火プラグ９へ層状に確実に輸送でき、安定した燃焼を行わせることができる。
【００２５】
また、外側隆起部１２により形成された左右のタンブル流ｂは、中央のタンブル流ａを保持するだけでなく、中央のタンブル流ａに乗り損ねてシリンダボア側にこぼれた燃料を拾い、点火プラグ９へ送ることができる。このように、中央に強いタンブル流ａを保持し、左右のタンブル流ｂでこぼれた燃料も拾うために、未燃ＨＣの発生や、デポジット堆積を抑制できて、燃焼を安定化し、より一層燃費、エミッションの向上を図ることができる。
【００２６】
また、中央隆起部１１の気筒列方向の幅をシリンダボア直径の４０〜８０％に設定することで、図７に示すように燃焼安定性を向上でき、中央隆起部１１の円筒面の曲率半径をシリンダボア直径の２０〜６５％に設定することで、図８に示すようにピストン上死点付近におけるタンブル流強さを向上させて保存性を向上できる。更に、中央隆起部１１と外側隆起部１２との頂上部位置の気筒列方向と直交する方向のオフセット量を、シリンダボア半径の１０％以上に設定することで、こぼれた燃料を集める効果をより向上できる。
【００２７】
図３及び図４は本発明の第２実施形態を示している。
本実施形態では、中央部隆起部１１を左右の外側隆起部１２に対して排気弁６側に配置し、中央隆起部１１の幅（気筒列方向の幅）をシリンダボア直径の４０〜８０％（図７参照）、円筒面の曲率半径をシリンダボア直径の２０〜６５％（図８参照）、頂上部位置をピストン冠面中心から吸気側にシリンダボア半径の４０〜８０％の位置に設定している。また、左右の外側隆起部１２の円筒面の曲率半径を中央隆起部１１の円筒面の曲率半径の９０〜１３０％、外側隆起部１２の頂上部位置を中央隆起部１１の頂上部位置よりシリンダボア半径の１０％以上吸気弁５側位置に設定している。
【００２８】
以上の実施形態の構造によれば、ピストン３冠面上の左右の外側隆起部１２によるタンブル流ｂにより、中央隆起部１１により形成されるタンブル流ａが外側から崩壊するのを防ぎ、流れを保持するので、中央のタンブル流ａの保存性が良好となる。従って、成層燃焼時に圧縮行程で燃料噴射弁１０から噴射された燃料をこのタンブル流ａに乗せて点火プラグ９へ層状に確実に輸送でき、安定した燃焼を行わせることができる。
【００２９】
また、外側隆起部１２により形成された左右のタンブル流ｂは、中央のタンブル流ａを保持するだけでなく、中央のタンブル流ａの外側に空気の壁を作ることにより、中央のタンブル流ａから外れた燃料の噴霧も左右のタンブル流ｂに当たり、中央のタンブル流ａの流れに集められ、点火プラグ９へ層状に確実に輸送できる。このように、中央に強いタンブル流ａを保持し、左右のタンブル流ｂで燃料がシリンタボア方向にこぼれないようにするため、未燃ＨＣの発生や、デポジット堆積を抑制できて，燃焼を安定化し、より一層燃費、エミッションの向上を図ることができる。
【００３０】
図５及び図６は本発明の第３実施形態を示している。
本実施形態は、図１及び図２に示した第１実施形態に対し、隆起部（スロープ）１１，１２の頂上部のエッジをおとし、アールを付したものである。これにより、エッジ部へのデポジットの堆積等を防止できる。もちろん、図３及び図４に示した第２実施形態に対しても適用可能である。
【００３１】
以上述べてきたように、本発明は、左右のタンブル流ｂにより中央のタンブル流ａを保持して、燃料を点火プラグ９へ層状に確実に輸送でき、安定した燃焼を行わせ得る。また、左右のタンブル流ｂは、こぼれた燃料を集める効果もあるため、未燃ＨＣの発生や、デポジット堆積を抑制できて燃焼を安定化し、より一層燃費、エミッションを向上し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施形態を示す機関の断面図
【図２】  同上第１実施形態におけるピストン冠面の斜視図
【図３】  本発明の第２実施形態を示す機関の断面図
【図４】  同上第２実施形態におけるピストン冠面の斜視図
【図５】  本発明の第３実施形態を示す機関の断面図
【図６】  同上第３実施形態におけるピストン冠面の斜視図
【図７】  中央隆起部の幅と燃焼安定性との関係を示す図
【図８】  円筒面曲率半径とタンブル流強さとの関係を示す図
【符号の説明】
１  シリンダブロック
２  シリンダヘッド
３  ピストン
４  燃焼室
５  吸気弁
６  排気弁
７  吸気ポート
８  排気ポート
９  点火プラグ
１０  燃料噴射弁
１１  中央隆起部（スロープ）
１２  外側隆起部（スロープ）
【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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