(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒内に吸気を導入する吸気ポートと、
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、
気筒内から排気を排出する排気ポートと、
を備える直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、
気筒内に吸気が旋回するスワールを生起するスワール生起手段を備え、
ピストンの頂面から円錐状に隆起する中央凸部を形成し、
ピストンの頂面で中央凸部のまわりに環状に窪むキャビティを形成し、
前記点火栓を、前記ピストンが上死点位置付近にあるときに前記キャビティの最深部近傍に臨むように配置し、
インジェクタの燃料噴射方向を中央凸部に対向するように配置したことを特徴とする直接筒内噴射式火花点火エンジン。
【請求項２】
前記吸気ポートとして共通の気筒に開口する２つの吸気ポートを備え、
前記スワール生起手段として一方の吸気ポートから気筒内に導入される吸気量を調節するコントロールバルブを備えたことを特徴とする請求項１に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジン。
【請求項３】
前記スワール生起手段を介してエンジン負荷が低下するのに伴って気筒内に生起されるスワールの勢力を高めるスワール制御手段を備え、
インジェクタの燃料噴射時期をエンジン負荷が低下するのに伴って吸入行程から圧縮行程に移行させる燃料噴射時期制御手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジン。
【請求項４】
前記インジェクタから噴射される燃料噴霧の形態を中央凸部に沿って円錐状に拡がる構成としたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の直接筒内噴射式火花点火エンジン。
【請求項５】
低負荷運転時には、前記スワール制御手段がスワールの勢力を高めることにより、前記インジェクタから噴射される燃料噴霧が前記キャビティに集められ、ドーナツ状の混合気層を形成す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直接筒内噴射式火花点火エンジン。
【請求項６】
前記点火栓として共通の気筒に臨む複数の点火栓を備え、
各点火栓を中央凸部を挟んで互いに対向するように配置した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直接筒内噴射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、直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて吸気系の改良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、例えば特開平２−１２５９１１号公報に開示されたものは、ピストン頂面に球状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。
【０００４】
このエンジンは、低負荷運転時に気筒内に生起されるスワールを強めるとともに、燃料噴射圧を低く調節して、キャビティに燃料を噴射することにより、燃料を点火栓の近傍に集めるようになっている。
【０００５】
高負荷運転時に気筒内に生起されるスワールを弱めるとともに、燃料噴射圧を高く調節して、ピストン頂面上に燃料を噴射するようになっている。
【０００６】
【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、キャビティがピストン頂面に球状に窪む構造のため、低負荷運転時における混合気の成層化と高負荷運転時における混合気の均質化を両立してはかることが難しいという問題点が考えられる。
【０００７】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、直接筒内噴射式火花点火エンジンに適した燃焼室構造を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンは、気筒内に吸気を導入する吸気ポートと、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、気筒内から排気を排出する排気ポートと、を備える直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、気筒内に吸気が旋回するスワールを生起するスワール生起手段を備え、ピストンの頂面から円錐状に隆起する中央凸部を形成し、ピストンの頂面で中央凸部のまわりに環状に窪むキャビティを形成し、前記点火栓を、前記ピストンが上死点位置付近にあるときに前記キャビティの最深部近傍に臨むように配置し、インジェクタの燃料噴射方向を中央凸部に対向するように配置し、点火栓をキャビティに対向するように配置する。
【０００９】
請求項２に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンは、請求項１に記載の発明において、
前記吸気ポートとして共通の気筒に開口する２つの吸気ポートを備え、
前記スワール生起手段として一方の吸気ポートから気筒内に導入される吸気量を調節するコントロールバルブを備える。
【００１０】
請求項３に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンは、請求項１または２に記載の発明において、
前記スワール生起手段を介してエンジン負荷が低下するのに伴って気筒内に生起されるスワールの勢力を高めるスワール制御手段を備え、
インジェクタの燃料噴射時期をエンジン負荷が低下するのに伴って吸入行程から圧縮行程に移行させる燃料噴射時期制御手段を備える。
【００１１】
請求項４に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンは、請求項１から３のいずれか一つに記載の発明において、
前記インジェクタから噴射される燃料噴霧の形態を中央凸部に沿って円錐状に拡がる構成とする。
【００１２】
請求項５に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンは、請求項１から４のいずれか一つに記載の発明において、
低負荷運転時には、前記スワール制御手段がスワールの勢力を高めることにより、前記インジェクタから噴射される燃料噴霧が前記キャビティに集められ、ドーナツ状の混合気層を形成する構成とする。
請求項６に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンは、請求項１から５のいずれか一つに記載の発明において、前記点火栓として共通の気筒に臨む複数の点火栓を備え、各点火栓を中央凸部を挟んで互いに対向するように配置する。
【００１３】
【作用】
請求項１に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、吸気バルブが開かれるのに伴って各吸気ポートから気筒内に空気が吸入される。ピストンが下降する吸入行程で気筒内に流入する吸気流は、シリンダ壁およびキャビティに沿って旋回するスワールを生起する。
【００１４】
インジェクタから噴射された燃料噴霧は、中央凸部に衝突した後、中央凸部に沿って円錐状に拡がる。こうして中央凸部を介して拡散した燃料は、スワールによってキャビティに集められる。
【００１５】
ピストンが上死点に近づくのにしたがって、キャビティを介して高濃度の混合気が点火栓の近傍に集められ、ピストンによって加熱されることにより燃料の微粒化および気化が進み、混合気の成層化がはかれる。こうして前記ピストンが上死点位置付近にあるときに前記キャビティの最深部近傍に臨むように配置した点火栓の近傍に濃混合気をつくることにより、着火が確実に行われる。この結果、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。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。
【００１６】
請求項２に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、コントロールバルブを閉弁させると、各吸気バルブが開かれるのに伴って吸気の大部分は２つの吸気ポートのうち一方の吸気ポートを通って気筒内に吸入される。一方の吸気ポートを通って気筒内に流入する吸気流は、シリンダ壁およびキャビティに沿って旋回するスワールを生起する。
【００１７】
コントロールバルブを開弁させると、吸気は２つの吸気ポートに略均等に分流して気筒内に吸入され、スワールの勢力が弱められて混合気の均質化がはかれるとともに、ポート面積が拡大してエンジンの吸気充填効率を高められる。
【００１８】
請求項３に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、低負荷運転時にピストンが上昇する圧縮行程でインジェクタから噴射された燃料噴霧は、強いスワールによってキャビティに集められ、混合気の成層化がはかれる。
【００１９】
高負荷運転時にスワールの勢力が弱められるが、ピストンが下降する吸入行程でインジェクタの噴口から噴射された燃料噴霧は、中央凸部に衝突して均等に拡散するため、均質混合気がつくられる。この結果、安定した燃焼性が得られ、出力性能の向上がはかれる。
【００２０】
請求項４に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、インジェクタから噴射される燃料噴霧の形態を中央凸部に沿って円錐状に拡がる構成としたため、インジェクタから噴射された燃料噴霧の大部分がキャビティ内に向かう。
【００２１】
中央凸部に沿って噴射された燃料は、ピストンによって加熱され、その微粒化および気化が進み、高濃度の混合気がキャビティ内に溜まり、混合気の成層化がはかられる。
【００２２】
請求項５に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、低負荷時に濃度の濃い混合気層をキャビティ内に形成するので、混合気の成層化がはかれる。請求項６に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、キャビティの周方向について燃料の分布に偏りが生じても、複数の点火栓を介して着火が確実に行われ、ノッキングの発生を防止するとともに、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大することができる。
【００２３】
【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。
【００２４】
図２、図４に示すように、ペントルーフ型に傾斜するシリンダヘッドの燃焼室天井壁に２つの吸気ポート６と２つの排気ポート１５が互いに対向して開口している。
【００２５】
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。
【００２６】
燃焼室天井壁から燃焼室４の中央部に臨むインジェクタ（電磁式燃料噴射弁）１が設けられる。インジェクタ１は各吸気バルブ５と各排気バルブ１４の間に位置して燃焼室４に臨んでいる。インジェクタ１の開弁期間（噴射パルス幅）は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。
【００２７】
ピストン３の頂面には、その中央部に円錐状に隆起する中央凸部１０が形成される。中央凸部１０はシリンダ中心線Ｃを中心とする円形断面を持つ。中央凸部１０の頂部は球面状に湾曲して突出している。
【００２８】
ピストン３の頂面には、その中央凸部１０のまわりに環状に窪むキャビティ１３が形成される。キャビティ１３はシリンダ中心線Ｃについて同心の環状断面を持つ。キャビティ１３は、円錐面状に拡がる中央凸部１０の下部と、逆円錐面状に拡がる外郭によって画成される。
【００２９】
インジェクタ１の燃料噴射方向は中央凸部１０に対向するように配置される。インジェクタ１はシリンダ中心線Ｃ上に配置される。
【００３０】
インジェクタ１はその噴口から噴射された燃料噴霧の形態が中央凸部１０に沿って円錐状に拡がる構成とする。
【００３１】
図６にも示すように、単一の点火栓２が燃焼室天井壁の側部から燃焼室４に臨む。点火栓２は吸気バルブ５と排気バルブ１４の側方で、かつ各バルブ５，１４の中間に位置して、上死点付近にあるピストン３のキャビティ１３上に臨むように配置される。なお、図４、図５に示した点火栓２の位置は、便宜上実際の位置より９０度相違させている。
【００３２】
各吸気ポート６は、キャビティ１３の略接線方向に延びている。スワール生起手段として、２つの吸気ポート６のうち一方を絞るコントロールバルブ７が設けられる。円盤状をしたコントロールバルブ７はシャフト８を介して回転可能に支持され、各吸気ポート６の分岐部より上流側に配置される。コントロールバルブ７は吸気通路の内壁と同形の円盤状をし、一方の吸気ポート６に面して開口する切欠き２１が形成される。
【００３３】
図２に示すように、コントロールバルブ７が閉弁した運転状態では、吸気の大部分が一方の吸気ポート６から気筒内に流入することにより吸気流速が高められ、気筒内に図４、図６に示すようにシリンダ壁１１およびキャビティ１３に沿って一方向に旋回するスワールが生起される。
【００３４】
図３に示すように、コントロールバルブ７が開弁した運転状態では、図８に示すように吸気が両方の吸気ポート６から気筒内に流入することにより、気筒内にスワールは生起されない。
【００３５】
図示しないコントロールユニットは、アクチュエータを介してコントロールバルブ７をエンジン負荷に応じて開閉駆動するとともに、インジェクタ１の燃料噴射時期をエンジン負荷に応じて調節する。コントロールユニットは、所定の低負荷運転時でコントロールバルブ７を閉弁するとともに、インジェクタ１からピストン３が上昇する圧縮行程の後半に燃料を噴射し、所定の高負荷運転時でコントロールバルブ７を開弁するとともに、インジェクタ１からピストン３が下降する吸入行程に燃料を噴射する制御を行う。
【００３６】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００３７】
各吸気バルブ５が開かれるのに伴って各吸気ポート６から気筒内に空気が吸入され、インジェクタ１が開弁するのに伴って燃焼室４に燃料が噴射される。気筒内に形成された混合気がピストンで圧縮された状態で点火栓２を介して燃料を着火燃焼させる。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が開かれるのに伴って各排気ポート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】
低負荷運転時にコントロールバルブ７が閉弁すると、各吸気バルブ５が開かれるのに伴って吸気の大部分は、図６に矢印で示すように、一方の吸気ポート６を通って気筒内に吸入される。吸気ポート６を通って気筒内に流入する吸気流は、図４、図６に矢印で示すように、シリンダ壁１１およびキャビティ１３に沿って旋回するスワールを生起する。
【００３９】
この低負荷運転時に、ピストン３が上昇する圧縮行程で、インジェクタ１の噴口から噴射された燃料噴霧は、中央凸部１０に衝突した後、中央凸部１０に沿って円錐状に拡がる。こうして中央凸部１０を介して拡散した燃料は、スワールによってキャビティ１３に集められる。
【００４０】
ピストン３が上死点に近づくのにしたがって、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、ピストン３によって加熱されることにより燃料の微粒化および気化が進み、混合気の成層化がはかれる。こうして点火栓２の近傍に濃混合気をつくることにより、着火が確実に行われる。この結果、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。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。
【００４１】
所定の高負荷運転時でコントロールバルブ７を全開すると、吸気は図８に矢印で示すように各吸気ポート６に略均等に分流して気筒内に吸入される。したがって、ポート面積が拡大してエンジンの吸気充填効率を高められる。
【００４２】
各吸気ポート６を通って気筒内に流入した吸気が互いに衝突することにより、気筒内に生起されるガス流動は弱まるが、ピストン３が下降する吸入行程でインジェクタ１の噴口から噴射された燃料噴霧は、中央凸部１０に衝突して均等に拡散するため、図９に示すように均質混合気をつくる。この結果、安定した燃焼性が得られ、出力性能の向上がはかれる。
【００４３】
次に、図１０〜図１２に示す実施形態について説明する。なお、図１との対応部分には同一符号を付す。
【００４４】
燃焼室天井壁の側部から燃焼室４に臨む２つの点火栓２が設けられる。各点火栓２は、吸気バルブ５と排気バルブ１４の側方で、かつ各バルブ５，１４の中間に配置され、中央凸部１０を挟んで互いに対向する。各点火栓２は、上死点付近にあるピストン３のキャビティ１３上に臨むように配置される。なお、図１１に示した点火栓２の位置は、便宜上実際の位置より９０度相違させている。
【００４５】
この場合、低負荷運転時にスワールを介してキャビティ１３に濃混合気をつくり、キャビティ１３の周方向について燃料の分布に偏りが生じても、２つの点火栓２を介して着火が確実に行われる。各点火栓２によって着火した火炎はキャビティ１３に沿って互いに対向するようにして速やかに拡がる。この結果、ノッキングの発生を防止するとともに、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大することができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンによれば、インジェクタから噴射された燃料噴霧は、中央凸部を介して円錐状に拡がり、スワールによってキャビティに集められ、混合気の成層化がはかれる。こうして燃料を点火栓の近傍に集中させることにより、着火が確実に行われ、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。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。
【００４７】
請求項２に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンによれば、コントロールバルブを介してキャビティに沿って旋回するスワールが生起され、低負荷運転時における混合気の成層化と高負荷運転時における混合気の均質化を両立してはかれる。
【００４８】
請求項３に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンによれば、低負荷運転時にピストンが上昇する圧縮行程でインジェクタから噴射された燃料噴霧が、強いスワールによってキャビティに集められ、混合気の成層化がはかれる一方、高負荷運転時にスワールの勢力が弱められるが、ピストンが下降する吸入行程でインジェクタの噴口から噴射された燃料噴霧は、中央凸部に衝突して均等に拡散するため、均質混合気をつくる。これにより、安定した燃焼性が得られ、出力性能の向上がはかれる。
【００４９】
請求項４に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンによれば、インジェクタから噴射される燃料噴霧の形態を中央凸部に沿って円錐状に拡がる構成としたため、高濃度の混合気がキャビティ内に溜まり、混合気の成層化がはかれる。
【００５０】
請求項５に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンによれば、低負荷時に濃度の濃い混合気層をキャビティ内に形成するので、混合気の成層化がはかれる。
請求項６に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンによればキャビティの周方向について燃料の分布に偏りが生じても、複数の点火栓を介して着火が確実に行われ、ノッキングの発生を防止するとともに、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示すピストン等の斜視図。
【図２】同じく低負荷運転時におけるコントロールバルブの側面図。
【図３】同じく高負荷運転時におけるコントロールバルブの側面図。
【図４】同じく低負荷運転時における混合気の生成される過程を示す断面図。
【図５】同じく高負荷運転時における混合気の生成される過程を示す断面図。
【図６】同じく低負荷運転時における混合気の生成される過程を示す平面図。
【図７】同じく低負荷運転時における混合気の生成される過程を示す平面図。
【図８】同じく高負荷運転時における混合気の生成される過程を示す平面図。
【図９】同じく高負荷運転時における混合気の生成される過程を示す平面図。
【図１０】他の実施形態を示すピストン等の斜視図。
【図１１】同じく低負荷運転時における混合気の生成される過程を示す断面図。
【図１２】同じく低負荷運転時における混合気の生成される過程を示す平面図。
【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
６  吸気ポート
７  コントロールバルブ
１０  中央凸部
１３  キャビティ
【図１】
0003794051.tif 000002
【図２】
0003794051.tif 000003
【図３】
0003794051.tif 000004
【図４】
0003794051.tif 000005
【図５】
0003794051.tif 000006
【図６】
0003794051.tif 000007
【図７】
0003794051.tif 000008
【図８】
0003794051.tif 000009
【図９】
0003794051.tif 000010
【図１０】
0003794051.tif 000011
【図１１】
0003794051.tif 000012
【図１２】
0003794051.tif 000013