(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内に燃料を噴射する噴射弁と、ピストン上面に形成した凹状燃焼室の壁面に近接した位置に突出して配置した点火プラグと、燃焼室とシリンダ内に吸気の旋回流を発生させる手段とを備えた火花点火機関において、前記凹状燃焼室は、壁面の横断面形状を略円形状とするとともに、底面部を浅底部とこれよりも深い深底部により形成し、かつ前記深底部は前記点火プラグに対し、凹状燃焼室内に発生させた旋回流の下流側に位置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】
前記凹状燃焼室の深底部付近の側壁部におけるピストン上面を、凹状燃焼室内に突出させることにより壁面を略円形に保ちつつ深底部付近の壁面に凹状のポケット部を形成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】
前記深底部の底面に、点火プラグに近接した部分から旋回流の下流側に向かって次第に深さが大きくなるように傾斜部分を形成したことを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の筒内燃料噴射式内燃機関。
【請求項４】
前記深底部の横断面形状を略半円状とした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。
【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関し、特に希薄空燃比での運転を行う筒内噴射式内燃機関の改良に関する。
【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凹状燃焼室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】
また、特開平８−２６０９８６号公報には、凹状燃焼室の点火プラグに対してスワール（旋回流）上流域となる壁面部分に段部を設け、圧縮行程後半のピストン位置のときにこの段部から燃焼室にかけて噴射した燃料を上方に向かわせることにより機関中負荷時の燃焼を改善するようにしたものが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の筒内噴射式内燃機関にあっては、ピストン上面の凹状燃焼室が直線状部分を有する非円形の形状もしくは凹状燃焼室壁面に段部が臨むような変則的な形状をしていてガス流動が減衰しやすいので、凹状燃焼室に噴射された燃料を輸送、拡散させるには、筒内に強い旋回流を発生させる必要がある。このため吸気ポート形状をいわゆるヘリカルタイプとするか、ポートに開口面積の小さな吸気制御弁を設ける構成となっているが、ヘリカルポートの場合、高負荷時の吸入抵抗が増大して発生トルクの低下を招く。また、開口面積の小さい吸気制御弁の場合は部分負荷時に、同一吸入負圧であってもポンプロスの増加を招くため、燃費の改善効果が損なわれるという問題が生じる。
【０００５】
この発明は、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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、シリンダ内に燃料を噴射する噴射弁と、ピストン上面に形成した凹状燃焼室の壁面に近接した位置に突出して配置した点火プラグと、燃焼室とシリンダ内に吸気の旋回流を発生させる手段とを備えた火花点火機関において、前記凹状燃焼室の壁面の横断面形状を略円形状とするとともに、底面部を浅底部とこれよりも深い深底部により形成し、かつ前記深底部は前記点火プラグに対し、凹状燃焼室内に発生させた旋回流の下流側に位置するように形成したものとする。
【０００７】
請求項２の発明は、上記凹状燃焼室の深底部付近の側壁部におけるピストン上面を凹状燃焼室内に突出させることにより、壁面を略円形に保ちつつ深底部付近の壁面に凹状のポケット部を形成するものとした。
【０００８】
請求項３の発明は、上記各発明の深底部の底面に、点火プラグに近接した部分から旋回流の下流側に向かって次第に深さが大きくなるように傾斜部分を形成するものとした。
【０００９】
請求項４の発明は、上記各発明の深底部の横断面形状を略半円状とした。
【００１０】
【作用・効果】
上記各発明によれば、凹状燃焼室内に発生する旋回流は燃焼室の壁面が略円形状となっているため、比較的弱い旋回流であっても圧縮行程においても崩壊することがなく、燃料の輸送と新気との混合が可能となる。このため、吸気ポートをヘリカルタイプとしたり、吸気マニホールド内に吸気制御弁を設けたりしてシリンダ内に発生する旋回流を強くする必要がなく、したがって全負荷時トルクの低下を起こすことなく、また成層燃焼における燃費向上効果を損なうこともない。
【００１１】
また、噴射弁より噴射された噴射は凹状燃焼室内にて旋回流に乗って拡散、混合しながら点火プラグの下方を通過し、凹状燃焼室の深底部へ輸送される。低負荷時には、燃料はほぼ点火プラグの周辺に集中している状態で点火されるのでその下流側に位置する深底部はこのとき大きな影響を及ばさず、すなわち点火プラグ直下の燃焼室底面は浅底状であるため点火プラグを必要以上に突出した構成とする必要もなく、良好な着火性能が得られる。
【００１２】
一方、高負荷時には噴射される燃料が多く、この燃料は点火プラグ直下から下流側領域の深底部にまで分布する。このとき、多くの燃料は旋回流により深底部へ導入されて深底部に保持され、新気との混合を行いうる空間的余裕を得る。また、深底部の底面付近には、旋回流が浅底部より深底部へ流入する際に、その段差により渦が発生し、みだれが増加した状態であるため、より一層の拡散が促され、良好な混合気を作ることが可能となる。着火は、低負荷時同様、点火プラグ下方に残る燃料に対して行われ、この着火火炎が深底部へと伝播し、燃料全体の燃焼が行われる。このようにして、低負荷から高負荷に至るまで良好な混合気状態を作ることが可能となる。
【００１３】
ところで、燃焼室の深さが十分に取れない場合、凹状燃焼室からピストン上面へと燃料のはみだしが発生し、これに原因して排出未燃燃料量の増加を招くことがある。これに対して、請求項２の発明によれば、凹状燃焼室の深底部付近の側壁部におけるピストン上面を凹状燃焼室内に突出させることにより、壁面を略円形に保ちつつ深底部付近の壁面に凹状のポケット部を形成してあるので、凹状燃焼室の浅底部の深さが大きくない場合であっても深底部が前記燃料はみだし位置に略一致しているため、凹状のポケット部により燃料層を凹状燃焼室内に保持して、噴射された燃料を確実に燃焼させることができる。
【００１４】
請求項３の発明では、深底部の底面に、点火プラグに近接した部分から旋回流の下流側に向かって次第に深さが大きくなるように傾斜部分を形成してある。このように点火プラグ付近での凹状燃焼室深底部の底面変化をゆるやかにすることにより、低負荷時に点火プラグ回りの空燃比が過剰に薄くなることが防止され、より着実な着火性能が得られる。
【００１５】
請求項４の発明では、深底部の横断面形状を略半円状としたことから、コンロッド小端部との干渉が避けられ、これにより大きな深底部容積を確保しつつピストン全高を抑制してピストン重量の軽減やエンジン全高の低減を図ることができる。
【００１６】
【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。
【００１７】
図１、２図、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４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凹状燃焼室を示す。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。
【００１８】
ピストン上面は、吸気側斜面１ａと排気側斜面１ｂとからなる隆起形状に形成されており、これら斜面１ａ，１ｂはシリンダヘッド５側でペントルーフ形の燃焼室を形成する吸気側壁面５ａと排気側壁面５ｂに対してそれぞれ略平行に形成されている。そして、図１に一点鎖線で示すように圧縮上死点近傍ではピストン１の上方空間は極めて狭く限定され、このとき凹状燃焼室６はシリンダヘッド５との間で実質的にシールされるようになっている。
【００１９】
図２はピストン１の平面構成を示しており、吸気ポート９ａ、９ｂにはそれぞれ、吸気マニホールド１０ａ、１０ｂが接続され、一方の吸気マニホールド１０ｂには吸気制御弁１１が設けられておりシリンダ内の旋回流を発生させるために機関の負荷および回転数に応じて開閉制御される。
【００２０】
図３に燃焼室６の断面形状を示す。燃焼室６の平面形状は図２に示す通り略円形状の壁面６ｃを有しており、その内側底面部分に深さの異なる浅底部６ａおよび深底部６ｂが形成されている。浅底部６ａは、噴射弁２に近接する位置から燃焼室内に発生する旋回流（Ｓ）に沿って点火プラグ３付近まで、略平坦な形状を有している。一方、深底部６ｂは、前記点火プラグ３付近より前記旋回流（Ｓ）の下流側に位置するように、かつ平面形状が略半円形状となるように形成されている。浅底部６ａと深底部６ｂおよび側壁部６ｃは、曲面により滑らかに接続されている。
【００２１】
なお、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、略直管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。燃焼室６内の旋回流（Ｓ）は前記シリンダ内旋回流が、吸気および圧縮行程にかけ、燃焼室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（Ｆ）は、圧縮行程において燃焼室６の底面を指向するように噴射弁２により噴射される。
【００２２】
次に作用を説明する。
【００２３】
まず、燃焼室６内に発生する旋回流（Ｓ）は燃焼室６の壁面６ｃが、略円形状となっているため、比較的弱い旋回流であっても圧縮行程に至っても減衰することがなく、燃料（Ｆ）の輸送と新気とを十分に混合させる。また、圧縮上死点近傍では、前述の通り燃焼室６の上方の空間は極めて狭く限定されるので、このとき燃焼室６は実質的にシールされた態様となり、燃焼室６内での旋回流を有効に保存することが可能である。このため、吸気ポート９ａをヘリカルタイプとしたり、吸気マニホールド１０ａ内にも切欠部を有する吸気制御弁を設けたりして、シリンダ内に発生する旋回流を強くする必要が生じないため、全負荷時トルクの低下を起こすことなく、また成層燃焼における燃費向上効果を低下させることもない。
【００２４】
一方、成層燃焼を行うべく、圧縮行程で噴射弁２より噴射された噴射（Ｆ）は、噴射直後は図４の（ａ）のようにほぼ点火プラグ３に向かって拡散して行くが、その後旋回流（Ｓ）に乗って図４の（ｂ）または（ｃ）に示すように拡散、混合しながら、点火プラグ３の下方を通過して深底部６ｂへと輸送される。
【００２５】
均質燃焼を行う領域の中でも負荷が低い時には、燃料（Ｆ）がほぼ図４の（ｂ）の状態で点火される。このとき、点火プラグ３の直下の燃焼室底面は比較的浅いので点火プラグ３のギャップ部を必要以上に突出させる必要もなく、良好な着火性が得られる。
【００２６】
これに対して、均質燃焼を行う領域の中でも比較的負荷が高いとき、すなわち噴射燃料量が比較的多い時には、燃料（Ｆ）はほぼ図４の（ｃ）の状態で点火される。このとき、多くの燃料（Ｆ）は旋回流（Ｓ）により深底部６ｂへ導入されるとともに深底部６ｂに保持され、この深底部６の容積により新気との混合を行いうる空間が確保される。また、深底部６ｂの底面付近には、旋回流が浅底部６ａより流入する際に、その段差により渦が発生し、みだれが増加した状態であるため、より一層の拡散が促され、良好な混合気を作ることが可能となる。着火は、低負荷時同様、点火プラグ３下方に残る燃料に行われ、火炎が深底部６ｂへと伝播し、燃料全体の燃焼が行われる。このようにして、低負荷から高負荷に至るまで良好な混合気性状及び燃焼が得られる。
【００２７】
図５、図６には、本発明の第２の実施形態を示す。この実施形態は、点火プラグ３に対し旋回流下流側のピストン１の上面から凹状燃焼室６内に突出部６ｄを付加し、前記深底部６ｂ付近の壁面に凹状のポケット部６ｅを形成したものである。
【００２８】
一般に燃焼室６の深さが十分に取れない場合、図７の斜線部に示す様な燃料のはみだしが発生して未燃燃料が増加するという問題が生じる。そこで側壁を凹形状とし、はみだし防止を図ることが考えられるが、一定の深さを有する燃焼室でははみだし抑制効果を十分発揮することはできない。
【００２９】
これに対して、この第２の実施形態では、燃焼室浅底部６ｂの深さが大きくない場合であっても前記はみだし位置に深底部６ｃの位置が略一致しているため、側壁のポケット部６ｅでの燃料捕捉作用が有効に作用して、噴射された燃料を確実に燃焼室６内にて燃焼させることができる。
【００３０】
図８〜図１０は本発明の第３の実施形態である。これは、図７の（ａ）−（ｂ）−（ｃ）に示したように、深底部６ｂに、その底面の深さｄが、点火プラグ３に近接した部分から旋回流の下流側に向かって次第に大きくなるような傾斜部分を形成したものである。このように点火プラグ３付近での深底部６ｂの底面変化をゆるやかにすることにより、低負荷時に点火プラグ周辺の混合気の空燃比が薄くなりすぎるのを防止して着火性をより高めることができる。
【００３１】
なお、上記各実施の形態に示したように、深底部６ｂの横断面形状を略半円状とすることにより、ピストン構造上コンロッド小端部との干渉がさけられるため、大きな深底部容積を確保しつつピストン全高及び重量を軽減することができる。
【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断面図。
【図２】  第１の実施形態のピストンの平面図。
【図３】  第１の実施形態のピストン断面形状の変化を示す説明図であり、（ａ）は図２のＡ−Ａ線断面部を、（ｂ）は同じくＢ−Ｂ線断面部を示している。
【図４】  第１の実施形態における燃料挙動を示す説明図。
【図５】  本発明の第２の実施形態のピストンの平面図。
【図６】  第２の実施形態のピストン断面形状の変化を示す説明図であり、（ａ）は図５のＡ−Ａ断面部を、（ｂ）は同じくＢ−Ｂ断面部を、（ｃ）は同じくＣ−Ｃ断面部を示している。
【図７】  凹状燃焼室からの燃料のはみだし現象を説明するためのピストンの平面図。
【図８】  本発明の第３の実施形態のピストンの平面図。
【図９】  第３の実施形態のピストン断面形状の変化を示す説明図であり、（ａ）は図８のＡ−Ａ断面部を、（ｂ）は同じくＢ−Ｂ断面部を、（ｃ）は同じくＣ−Ｃ断面部を示している。
【図１０】  図８のＡ−Ａ線断面部を示す断面図。
【符号の説明】
１    ピストン
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    凹状燃焼室
６ａ  底面浅底部
６ｂ  底面深底部
６ｃ  側壁部
６ｄ  上面突出部
６ｅ  ポケット部
７    吸気バルブ
８    排気バルブ
９    吸気ポート
１０    吸気マニホールド
１１    吸気制御弁
Ｆ    燃料噴霧
Ｓ    旋回流
【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】
0003800727.tif 000009
【図９】
0003800727.tif 000010
【図１０】
0003800727.tif 000011