(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒内に燃料を噴射するインジェクタと、
気筒内の混合気に点火する点火栓と、
を備える筒内直噴式火花点火エンジンにおいて、
ピストンの冷却を行うオイルを供給するオイルジェットと、
オイルジェットからのオイル供給量をエンジン負荷が低下するのに伴って減少させるオイル噴射量制御手段と、
を備え、
前記インジェクタに対向してピストンの冠面に窪むキャビティであって、インジェクタ側に偏心した円形の断面を持ち、シリンダ中心線と直交する平面状をしたキャビティ底面と、キャビティ底面から逆円錐状に拡がるキャビティ外郭によって画成されるキャビティを形成し、
ピストンの冠部にオイルジェットから供給されるオイルを循環させるオイルギャラリを形成している筒内直噴式火花点火エンジンにおいて、
前記オイルギャラリは前記キャビティ底面の下方に位置して円盤状に拡がる円盤部と、円盤部の外周から円錐状に立ち上がる円錐部を有し、この円錐部を前記キャビティ外郭の周囲を覆うようにして形成し、
前記円盤部周辺の互いに１８０°離れた位置にかつ入口がインジェクタ側となるようにピストン背後空間に連通する入口と出口を形成し、
前記入口に向けて前記オイルジェットがオイルを噴射するようにしたことを特徴とする筒内直噴式火花点火エンジン。
【請求項２】
所定の低中速低中負荷域で前記インジェクタからの燃料噴射時期を圧縮行程に設定するとともにオイルジェットからピストンの冷却を行うオイルの供給を停止し、
所定の高速域または高負荷域でインジェクタからの燃料噴射時期を吸気行程に設定するとともにオイルジェットからピストンの冷却を行うオイルを供給する構成としたことを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴式火花点火エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内直噴式火花点火エンジンにおいてピストンを冷却する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
点火栓の近傍に燃料を集める混合気の成層化をはかるため、気筒内にインジェクタ（燃料噴射弁）を臨ませ、気筒内に直接に燃料を噴射するようにした直接筒内噴射式火花点火エンジンがある。
【０００３】
従来の直接筒内噴射式火花点火エンジンとして、ピストン冠面に窪むキャビティが形成され、キャビティに向けて燃料を噴射するインジェクタを備えるとともに、キャビティに臨む点火栓を備えるものがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の直接筒内噴射式火花点火エンジンにあっては、キャビティが窪むピストン冠部は、燃焼ガスにさらされて熱負荷が高く、燃焼室の温度が上昇する高負荷時にピストンの耐熱性を確保することが難しい
例えば実開平３−１１０１３４号公報では、燃料を圧縮着火させる直接筒内噴射式ディーゼルエンジンにおいて、ピストン冠部にオイルギャラリが形成され、オイルギャラリを循環するオイルによってピストンを冷却するようになっている。
【０００５】
この場合、オイルポンプの吐出圧が所定値より低い低速時に、オイルジェットが閉弁し、オイルの供給が停止される。
【０００６】
一方オイルポンプの吐出圧が上昇する中高速時に、オイルジェットが開弁し、オイルジェットから噴射されるオイルをオイルギャラリに循環させるようになっている。
【０００７】
しかし、このようなピストンの冷却装置を直接筒内噴射式火花点火エンジンに適用した場合、オイルジェットから冷却オイルが噴射される中速での低負荷域に、オイルギャラリを循環するオイルによりピストン冠部が過剰に冷却され、未燃焼ＨＣの排出量が増加したり、ピストン冠部にデポジットが付着する可能性がある。
【０００８】
また、オイルジェットから冷却オイルの噴射が停止してしまう低速での高負荷域にピストン冠部の冷却が不足し、ノッキングが発生するという問題点が考えられる。
【０００９】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、筒内直噴式火花点火エンジンに適したピストンの冷却装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の筒内直噴式火花点火エンジンは、気筒内に燃料を噴射するインジェクタと、気筒内の混合気に点火する点火栓とを備える筒内直噴式火花点火エンジンにおいて、ピストンの冷却を行うオイルを供給するオイルジェットと、オイルジェットからのオイル供給量をエンジン負荷が低下するのに伴って減少させるオイル噴射量制御手段とを備え、前記インジェクタに対向してピストンの冠面に窪むキャビティであって、インジェクタ側に偏心した円形の断面を持ち、シリンダ中心線と直交する平面状をしたキャビティ底面と、キャビティ底面から逆円錐状に拡がるキャビティ外郭によって画成されるキャビティを形成し、ピストンの冠部にオイルジェットから供給されるオイルを循環させるオイルギャラリを形成している筒内直噴式火花点火エンジンにおいて、前記オイルギャラリは前記キャビティ底面の下方に位置して円盤状に拡がる円盤部と、円盤部の外周から円錐状に立ち上がる円錐部を有し、この円錐部を前記キャビティ外郭の周囲を覆うようにして形成し、前記円盤部周辺の互いに１８０°離れた位置にかつ入口がインジェクタ側となるようにピストン背後空間に連通する入口と出口を形成し、前記入口に向けて前記オイルジェットがオイルを噴射するようにした。
【００１１】
請求項２に記載の筒内直噴式火花点火エンジンは、請求項１に記載の発明において、所定の低中速低中負荷域で前記インジェクタからの燃料噴射時期を圧縮行程に設定するとともにオイルジェットからピストンの冷却を行うオイルの供給を停止し、所定の高速域または高負荷域でインジェクタからの燃料噴射時期を吸気行程に設定するとともにオイルジェットからピストンの冷却を行うオイルを供給する構成とする。
【００１５】
【作用】
請求項１に記載の筒内直噴式火花点火エンジンにおいて、エンジン負荷が減少するのにしたがってピストン冠部が燃焼室から受ける熱は減少するが、低負荷域ではオイルジェットからのオイルの供給が減少もしくは停止され、ピストン冠部の熱がオイルによって過剰に冷却されることがないため、ピストン冠部は高温に保たれ、ピストン冠面に付着した燃料の微粒化および気化が促進される。
【００１６】
こうして燃料がピストンによって加熱されることによりその微粒化および気化が進み、着火が確実に行われる。
【００１７】
高負荷域では、オイルジェットからのオイルの供給量が増加され、ピストン冠部の熱はオイルによって持ち去られる。高負荷域は低中負荷域に比べてピストン冠部が燃焼室から受ける熱が増加するが、ピストンのオイルによる冷却が適正化するため、ピストンの耐熱性が確保されるとともに、ノッキングを抑えられる。
オイルギャラリがキャビティ底面の下方に位置して円盤状に拡がる円盤部と、円盤部の外周から円錐状に立ち上がる円錐部を有し、この円錐部をキャビティ外郭の周囲を覆うようにして形成しているため、オイルジェットからオイルの供給が停止される低負荷域では、インジェクタから噴射される燃料の多くが当たるキャビティ底面が高温に保たれ、キャビティに付着した燃料の気化が促進される。
オイルジェットからオイルが供給される高負荷域では、熱負荷の高いキャビティ外郭とピストン冠面が交わるエッジ部の熱がオイルギャラリを循環するオイルによって効果的に持ち去られる。
【００１８】
請求項２に記載の筒内直噴式火花点火エンジンにおいて、低中速低中負荷域では、ピストンが上昇する圧縮行程にインジェクタから燃料が噴射されるため、噴射から点火までの期間が短く、噴射燃料の拡散が抑えられ、濃混合気を点火栓の近傍に形成する。
【００１９】
この低中速低中負荷域では、オイルジェットによるピストン冠部の冷却が停止されるため、ピストン冠部が燃焼室から受ける熱が減少するのにかかわらず、ピストン冠部は高温に保たれ、ピストン冠面に付着した燃料の微粒化および気化が促進される。
【００２０】
この結果、気筒内に形成された層状混合気は、全体としての空燃比が超リーンであっても、安定した着火燃焼が行われる。
【００２１】
高速域または高負荷域では、ピストンが下降する吸気行程にインジェクタから燃料が噴射される。気筒内に噴射された燃料は各吸気バルブが開かれるのに伴って吸気ポートから吸入している空気と十分に混合する。気筒内に形成された混合気はピストンで圧縮された状態で点火栓を介して燃料が着火燃焼する。
【００２２】
この高速域または高負荷域では、オイルジェットからオイルが供給され、ピストン冠部の熱はオイルによって持ち去られる。
【００２３】
高速域または高負荷域は低中速低中負荷域に比べてピストン冠部が燃焼室から受ける熱が増加するが、ピストン冠部の熱がオイルによって持ち去られるため、ピストンの耐熱性が確保されるとともに、ノッキングを抑えられる。
【００２８】
【発明の効果】
請求項１に記載の筒内直噴式火花点火エンジンによれば、低負荷域にオイルによるピストンの冷却を抑え、未燃焼ＨＣの排出量を低減するとともに、ピストン冠部に付着するデポジットの量を低減することができる。高負荷域にピストン冠部のオイルによる冷却が適正化されるため、ピストンの耐熱性が確保されるとともに、ノッキングを有効に抑えられる。ピストンの耐熱性が高められるとともに、燃料の多くが当たるキャビティ底面の温度を調節でき、未燃焼ＨＣの排出量を低減するとともに、ピストン冠部に付着するデポジットの量を低減することができる。
【００２９】
請求項２に記載の筒内直噴式火花点火エンジンによれば、低中速低中負荷域で圧縮行程にインジェクタから噴射された燃料は微粒化および気化が促進され、未燃焼ＨＣの排出量を低減するとともに、ピストン冠部に付着するデポジットの量を低減することができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００３４】
図１は本発明の実施形態に対する参照例である。
図１に示すように、シリンダヘッド１０の燃焼室天井壁から燃焼室４の中央部に点火栓２が臨み、点火栓２を挟むようにして２つの吸気バルブ５と２つの排気バルブ１４が互いに対向して設けられている。
【００３５】
燃焼室４はシリンダヘッド１０の燃焼室天井壁とピストン３の冠部３０とによって画成される。ピストン３のシリンダ８における往復運動はコンロッド６を介して図示しないクランクシャフトの連続回転運動に変換される。
【００３６】
燃焼室天井壁の側部から燃焼室４に臨むインジェクタ（電磁式燃料噴射弁）１が設けられる。
【００３７】
インジェクタ１が開弁するのに伴って気筒内に噴射される燃料は、各吸気バルブ５が開かれるのに伴って吸気ポート１８から吸入される空気と混合する。気筒内に形成された混合気はピストン３で圧縮された状態で点火栓２を介して燃料が着火燃焼する。燃焼したガスはピストン３を下降させてクランクシャフトを介して回転力を取り出した後、ピストン３が上昇する排気行程中に排気バルブ１４が開かれるのに伴って各排気ポート１９から排気ガスが排出される。これらの各行程が連続して繰り返される。
【００３８】
インジェクタ１はその開弁時期と開弁期間（噴射パルス幅）が図示しないコントロールユニットにより運転状態に応じて制御される。
【００３９】
インジェクタ１の開弁時期である燃料噴射時期は、図４に示すマップに基づき、所定の低中速低中負荷域でピストン３が上昇する圧縮行程の後半に設定され、所定の高速域または高負荷域でピストン３が下降する吸気行程に設定されている。
【００４０】
インジェクタ１は各吸気バルブ５の側方で、かつ各吸気バルブ５の間に位置して燃焼室４に臨んでいる。インジェクタ１はピストン３の冠面に対して傾斜するよう配置される。
【００４１】
インジェクタ１の噴口から噴射される燃料噴霧の中心線は水平線に対して所定角度で下向きに傾斜するように配置される。
【００４２】
ピストン３の冠面には、その中央部にペントルーフ状に隆起する凸部３１が形成される。凸部３１の突出端となる稜線３３はシリンダ列方向に沿って延びている。
【００４３】
ピストン３の冠面には、円盤状に窪むキャビティ１３が形成される。キャビティ１３はインジェクタ１に対向して形成され、インジェクタ１から噴射される燃料噴霧の大部分がキャビティ１３内に拡散するようになっている。
【００４４】
キャビティ１３はシリンダ中心線についてインジェクタ１側に偏心した円形の断面を持ち、凸部３１の稜線１２の中央部を削除するようにして窪んでいる。
【００４５】
キャビティ１３は、シリンダ中心線と直交する平面状をしたキャビティ底面１５と、キャビティ底面１５の外周から逆円錐面状に拡がるキャビティ外郭１６によって画成される。
【００４６】
ピストン３を冷却するため、ピストン冠部３０にはオイルギャラリ３２が形成され、オイルジェット７から噴射されるオイルをオイルギャラリ３２に循環させて、ピストン３の熱を持ち去るようになっている。
【００４７】
オイルギャラリ３２には、ピストン３の背後空間（クランク室）に連通する入口３４と出口３５がそれぞれ形成される。
【００４８】
シリンダ８の下端には入口３４内に向けてオイルを噴射するオイルジェット７が設けられる。オイルジェット７は、図３に示すように、シリンダブロック９に形成されたオイル通路２１を介して図示しないオイルポンプ（油圧源）に連通している。
【００４９】
オイルギャラリ３２はキャビティ外郭１６の周囲を覆うように環状に形成され、オイルギャラリ３２を循環するオイルによってピストン冠部３０の熱を持ち去るようになっている。
【００５０】
オイルギャラリ３２はその底面がキャビティ底面１５より上方に配置され、ピストン冠部３０の駄肉部に形成される。
【００５１】
なお、オイルギャラリ３２は図示の位置に限らず、ピストン３の形状の制約によっては、図示の位置よりもピストン３の上下方向に位置がずれた形状でも差し支えない。
【００５２】
オイル通路２１を循環するオイルは各制御弁２２を介して各オイルジェット７に導かれる。各制御弁２２はコントロールユニット２３からの信号に応じて開閉作動する。
【００５３】
コントロールユニット２３は、図示しない吸気スロットルバルブの開度に応じたスロットル開度信号、エンジン回転信号、各インジェクタ１の燃料噴射時期信号等を入力し、制御弁２２の開閉を制御する。
【００５４】
コントロールユニット２３において、各制御弁２２は燃料噴射時期が圧縮行程にある低中速低中負荷域で閉弁し、燃料噴射時期が吸気行程にある高速域または高負荷域に開弁するように設定されている。
【００５５】
以上のように構成され、次に参照例の作用について説明する。
【００５６】
低中速低中負荷域では、ピストン３が上昇する圧縮行程の後半にインジェクタ１が開弁するのに伴ってピストン３のキャビティ１３に向けて燃料が噴射される。このため、燃料噴射から点火までの期間が短く、燃焼室４における噴射燃料の拡散が抑えられ、キャビティ１３を介して濃混合気を点火栓２の近傍に形成する。
【００５７】
この低中速低中負荷域では、制御弁２２が閉弁して、オイルジェット７からオイルが噴射されず、ピストン冠部３０の熱はオイルによって持ち去られることがないため、高負荷域に比べてピストン冠部３０が燃焼室４から受ける熱が減少するのにもかかわらず、キャビティ１３は高温に保たれ、キャビティ１３に付着した燃料の微粒化および気化が促進される。こうしてピストン３が上昇する圧縮行程で、キャビティ１３を介して高濃度の混合気が点火栓２の近傍に集められ、全体としての空燃比が超リーンであっても、安定した着火燃焼が行われる。
【００５８】
この結果、未燃焼ＨＣの排出量を低減するとともに、ピストン冠部３０に付着するデポジットの量を低減することができる。また、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００５９】
高速高負荷域では、ピストン３が下降する吸気行程の前半にインジェクタ１が開弁するのに伴ってピストン３のキャビティ１３に向けて燃料が噴射される。気筒内に噴射された燃料は各吸気バルブ５が開かれるのに伴って吸気ポート１８から吸入される空気と混合する。気筒内に形成された混合気はピストン３で圧縮された状態で点火栓２を介して燃料が着火燃焼する。
【００６０】
この高速域または高負荷域では、制御弁２２が開弁しており、オイルジェット７からオイルが噴射され、ピストン冠部３０の熱はオイルギャラリ３２を循環するオイルによって持ち去られる。
【００６１】
高速域または高負荷域は低中速低中負荷域に比べてピストン冠部３０が燃焼室４から受ける熱が増加するが、ピストン冠部３０の熱がオイルギャラリ３２を循環するオイルによって持ち去られるため、キャビティ１３が過熱されることを防止し、ピストン３の耐熱性が確保されるとともに、ノッキングを有効に抑えられる。
【００６２】
ピストン冠部３０においてキャビティ外郭１６とピストン冠面が交わるエッジ部３７は、燃焼ガスにさらされてピストン冠部３０のうちでも熱負荷が最も高くなるが、本実施形態ではオイルギャラリ３２がキャビティ外郭１６の周囲を覆うようにして形成されているため、エッジ部３７の熱がオイルギャラリ３２を循環するオイルによって持ち去られ、エッジ部３７の耐熱性が有効に高められる。
【００６３】
次に、図５、図６に示す他の参照例について説明する。なお、図１、図２との対応部分には同一符号を付す。
【００６４】
ピストン３を冷却するため、ピストン冠部３０には円盤状をしたオイルギャラリ４２が形成される。オイルギャラリ４２はキャビティ底面１５の下方に位置するように形成される。
【００６５】
オイルギャラリ４２には、ピストン３の背後空間に連通する入口４４と出口４５がそれぞれ形成される。
【００６６】
シリンダ８の下端には入口４４内に向けてオイルを噴射するオイルジェット７が設けられる。
【００６７】
以上のように構成され、次に他の参照例の作用について説明する。
【００６８】
低中速低中負荷域では、オイルジェット７からオイルが噴射されず、ピストン冠部３０の熱はオイルによって持ち去られることがない。このため、インジェクタ１から噴射される燃料の多くが当たるキャビティ底面１５は高温に保たれ、キャビティ１３に付着した燃料の気化が促進される。
【００６９】
高速高負荷域では、オイルジェット７からオイルが噴射され、ピストン冠部３０の熱はオイルギャラリ４２を循環するオイルによって持ち去られ、ピストン３の耐熱性が確保される。
【００７０】
次に、図７、図８に示す本発明の実施形態について説明する。なお、図１、図２との対応部分には同一符号を付す。
【００７１】
ピストン３を冷却するため、ピストン冠部３０にはオイルギャラリ５２が形成される。オイルギャラリ５２はキャビティ底面１５とキャビティ外郭１６を囲む皿状に形成される。オイルギャラリ５２はキャビティ底面１５の下方に位置して円盤状に拡がる円盤部５７と、円盤部４２の外周から円錐状に立ち上がる円錐部５６を有する。円錐部５６はキャビティ外郭１６の周囲を囲むようにして形成される。
【００７２】
オイルギャラリ５２には、ピストン３の背後空間に連通する入口５４と出口５５がそれぞれ形成される。
【００７３】
シリンダ８の下端には入口５４内に向けてオイルを噴射するオイルジェット７が設けられる。
【００７４】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００７５】
低中速低中負荷域では、オイルジェット７からオイルが噴射されず、ピストン冠部３０の熱はオイルによって持ち去られることがない。このため、インジェクタ１から噴射される燃料の多くが当たるキャビティ底面１５は高温に保たれ、キャビティ１３に付着した燃料の気化が促進される。
【００７６】
高速高負荷域では、オイルジェット７からオイルが噴射され、ピストン冠部３０の熱はオイルギャラリ５２を循環するオイルによって持ち去られる。
【００７７】
ピストン冠部３０においてキャビティ外郭１６とピストン冠面が交わるエッジ部３７は、燃焼ガスにさらされてピストン冠部３０のうちでも熱負荷が最も高くなるが、本実施形態ではオイルギャラリ５２の円錐部５６がキャビティ外郭１６の周囲を覆うようにして形成されているため、エッジ部３７の熱がオイルギャラリ５２を循環するオイルによって持ち去られ、エッジ部３７の耐熱性が有効に高められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態に対する参照例を示すエンジンの断面図。
【図２】  同じくピストンの平面図。
【図３】  同じくシステム図。
【図４】  同じく制御特性図。
【図５】  他の参照例を示すエンジンの断面図。
【図６】  同じくピストンの平面図。
【図７】  本発明の実施形態を示すエンジンの断面図。
【図８】  同じくピストンの平面図。
【符号の説明】
１  インジェクタ
２  点火栓
３  ピストン
４  燃焼室
５  吸気バルブ
７  オイルジェット
８  シリンダ
９  シリンダブロック
１０  シリンダヘッド
１３  キャビティ
１４  排気バルブ
１５  キャビティ底面
１６  キャビティ外郭
２１  オイル通路
２２  制御弁
２３  コントロールユニット
３０  ピストン冠部
３１  凸部
３２  オイルギャラリ
４２  オイルギャラリ
５２  オイルギャラリ
【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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