(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向的に配置された吸気ポートと排気ポートとの間の燃焼室略中央部に点火プラグを位置させるとともに、上面にキャビティを形成したピストンと、吸気ポート側から前記キャビティに向けて燃料を噴射供給する燃料噴射弁と、シリンダ内にスワールを発生させる手段とを備えた内燃機関において、
ピストン上面を、吸気ポートに面した傾斜面と排気ポートに面した傾斜面とからなる隆起形状とするとともに、
前記キャビティを、燃料噴射弁からの燃料噴霧の略前方であってその中心が前記吸気ポート側傾斜面に位置するように形成し、
前記排気ポート側傾斜面には前記キャビティに隣接して該傾斜面よりも傾斜角度の大きな段差部を形成し、
この段差部は、その上端縁部がピストン上面の略中央部から前記各傾斜面の境界稜線部であって少なくともスワール下流側の端部付近に連なるとともに該端部での傾斜角度が中央部側よりも小さくなるように形成してあることを特徴とする筒内燃料噴射式内燃機関。
【請求項２】
段差部を、その上端縁部が、各傾斜面の境界稜線部であってスワール下流側の端部付近からピストンの略中央部を通る線に沿って、かつスワール下流側端部とは反対側の端部が排気ポート側傾斜面の低い位置にて段差部をなすように、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】
段差部を、その上端縁部が、ピストン上面の略中央部から各傾斜面の境界稜線部の両端方向に延びるように、かつ前記両端部での傾斜角度が中央部側よりも小さくなるように形成してある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４】
排気ポート側傾斜面は、段差部の下端に連なる部分が傾斜の無い平坦部となっていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の筒内燃料噴射式内燃機関。
【請求項５】
スワール発生手段は、運転状態に応じて開閉制御される吸気制御弁を備えた第１の吸気ポートと、吸気をシリンダ内に略接線方向に導入する形状の第２の吸気ポートとを備え、第１の吸気ポートの吸気制御弁を閉ざした状態で第２の吸気ポートから導入される吸気流によりシリンダ内にスワールを生起するように構成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいず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キャビティ（凹状燃焼室）の形状として点火プラグに近接した側壁面を略直線状するとともに、前記直線状側壁面の後方にスワールにより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】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような従来の筒内噴射式内燃機関にあっては、ピストン上面のキャビティが直線状部分を有する非円形形状をしていてガス流動が減衰しやすいので、キャビティ内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。一般に良い燃焼性を得るためにはシリンダ内またはキャビティ内に強い吸気流動を生成または維持する必要があるが、成層燃焼を行う比較的負荷の低い運転域にて十分な吸気流動を得ようとすると吸気ポート形状をヘリカルタイプのものとするなど、吸入抵抗が増大するのが避けられない。この結果として、高負荷時の吸気充填率が低下して発生トルクが小さくなってしまうという問題が生じる。
【０００４】
本発明は、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。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、対向的に配置された吸気ポートと排気ポートとの間の燃焼室略中央部に点火プラグを位置させるとともに、上面にキャビティを形成したピストンと、吸気ポート側から前記キャビティに向けて燃料を噴射供給する燃料噴射弁と、シリンダ内にスワールを発生させる手段とを備えた内燃機関において、ピストン上面を、吸気ポートに面した傾斜面と排気ポートに面した傾斜面とからなる隆起形状とするとともに、前記キャビティを、燃料噴射弁からの燃料噴霧の略前方であってその中心が前記吸気ポート側傾斜面に位置するように形成し、前記排気ポート側傾斜面には前記キャビティに隣接して該傾斜面よりも傾斜角度の大きな段差部を形成し、この段差部は、その上端縁部がピストン上面の略中央部から前記各傾斜面の境界稜線部であって少なくともスワール下流側の端部付近に連なるとともに該端部での傾斜角度が中央部側よりも小さくなるように形成したものとする。
【０００６】
請求項２の発明は、上記請求項１の発明の段差部を、その上端縁部が、各傾斜面の境界稜線部であってスワール下流側の端部付近からピストンの略中央部部を通る線に沿って、かつスワール下流側端部とは反対側の端部が排気ポート側傾斜面の低い位置にて段差部をなすように形成したものとする。
【０００７】
請求項３の発明は、上記請求項１の発明の段差部を、その上端縁部が、ピストン上面の略中央部から各傾斜面の境界稜線部の両端方向に延びるように、かつ前記両端部での傾斜角度が中央部側よりも小さくなるように形成したものとする。
【０００８】
請求項４の発明は、上記各発明の排気ポート側傾斜面を、段差部の下端に連なる部分が傾斜の無い平坦部となるように形成する。
【０００９】
請求項５の発明は、上記各発明のスワール発生手段として、運転状態に応じて開閉制御される吸気制御弁を備えた第１の吸気ポートと、吸気をシリンダ内に略接線方向に導入する形状の第２の吸気ポートとを備え、第１の吸気ポートの吸気制御弁を閉ざした状態で第２の吸気ポートから導入される吸気流によりシリンダ内にスワールを生起するように構成したものとする。
【００１０】
【作用・効果】
吸気行程中にスワール発生手段によりシリンダ内に生起された水平方向の旋回流、すなわちスワールは圧縮さらには燃焼行程末期に至るまでシリンダ内およびキャビティ内に空気の旋回流を形成する。このとき、シリンダ内スワールはピストン上面に沿って旋回しようとするが、縦方向の旋回成分つまりタンブル流があるとスワールが阻害されて成層燃焼時の燃焼が損なわれる場合がある。
【００１１】
これに対して、上記各発明によれば縦方向の流れが排気側傾斜面に形成した急角度の段差部に衝突することにより水平方向に偏向するため、この偏向した流れによりスワールはむしろ加勢される。また、このときスワールが流れて行く下流部分つまり吸排気傾斜面の境界稜線部の一端部では段差部の傾斜が小さくなっているので、スワールの流れが抵抗を受けることがなく、円滑に段差を通過して行く。
【００１２】
このようにして、特にキャビティ内のスワールを阻害しがちなタンブル流成分の影響を抑制してシリンダ及びキャビティ内に強いスワールを維持できるので、ヘリカルポートのような吸入抵抗の大きな構造を採用する必要がなく、例えば請求項５に示したように第１の吸気ポートを吸気制御弁により閉ざして第２の吸気ポートから接線方向に導入した吸気流によりスワールを生起する手段を用いることにより、高負荷時の出力特性を犠牲にすることなく、成層燃焼を行う低中負荷運転域での燃焼性を改善することができる。
【００１３】
請求項２の発明では、段差部の上端縁部が、吸排気側の各傾斜面の境界稜線部であってスワール下流側の端部付近からピストンの略中央部部を通る線に沿って、かつスワール下流側端部とは反対側の端部が排気ポート側傾斜面の低い位置にて段差部をなすように形成してあり、この場合段差部が直線的であるので形状が単純で加工が容易であり、またスワール上流側端部の段差が排気ポート側傾斜面の低い位置にあるので段差自体が小さくなってスワールの円滑な流れに寄与する。
【００１４】
請求項３の発明では、段差部の上端縁部が、ピストン上面の略中央部から各傾斜面の境界稜線部の両端方向に延びるように、かつ前記両端部での傾斜角度が中央部側よりも小さくなるように形成してあり、この場合ピストン略中央部を中心として段差部が対称形状となるので、スワールの方向にかかわらず、例えば請求項５の発明において吸気制御弁を設ける吸気ポートが何れであるかによらずに、ピストンを適用できるという利点を生じる。
【００１５】
請求項４の発明では、上記各発明の排気ポート側傾斜面を、段差部の下端に連なる部分が傾斜の無い平坦部となるように形成してある。この平坦部を設けた構成は、均質燃焼を行わせる比較的負荷の高い運転域での出力性能の点で有利である。
【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〜図４は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キャビティを示す。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。点火プラグ３は前記吸排気弁間の燃焼室１２の略中央部に位置している。９ａ，９ｂは吸気ポート、１０ａ，１０ｂは前記各ポート９ａ，９ｂに接続された吸気マニホールド、１１は一方の吸気マニホールド１０ｂに介装されたスワール発生手段としての吸気制御弁、１２は燃焼室、１３ａ，１３ｂは排気ポートを示している。
【００１８】
上記吸気制御弁１１は予め定められた比較的負荷及び回転数の低い運転域で閉弁保持され、この場合図２で反時計方向のスワールを生起する。
【００１９】
ピストン１の上面は、点火プラグ３の直下部分を境界として吸気ポート９ａ，９ｂ側の傾斜面１Ａと排気ポート１３ａ，１３ｂ側の傾斜面１Ｂとからなる隆起形状となっている。そして、この吸気ポート側の傾斜面１Ａは、シリンダヘッド５側でペントルーフ形の燃焼室を画成する壁面５ａと略平行に形成され、同じく排気ポート側の傾斜面１Ｂはシリンダヘッド側の壁面５ｂと略平行に形成されている。
【００２０】
キャビティ６は、この場合図２に示したように円形形状であり、該円形の中心はほぼ燃料噴霧の中心線上に位置している。また、このキャビティ６はその中心が吸気ポート側傾斜面１Ａ内に位置しつつ、一部は各傾斜面の境界稜線部Ｌを超過して排気ポート側傾斜面１Ｂに臨んでいる。
【００２１】
図３または図４に示したように、ピストン上面の排気ポート側傾斜面１Ｂには前記キャビティ６に隣接して該傾斜面１Ｂよりも傾斜角度の大きな段差部１Ｃが形成されている。この段差部１Ｃは、その上端縁部Ｒがピストン上面の略中央部から前記各傾斜面１Ａ，１Ｂの境界稜線部Ｌ上であって少なくともスワール下流側の端部Ｒ１付近に連なるとともに該端部Ｒ１での傾斜角度が中央部側よりも小さくなるように形成されている。
【００２２】
この場合、上記上端縁部Ｒは平面上直線的に形成されており、そのスワール上流側端部Ｒ２は排気ポート側傾斜面１Ｂの低い位置にて段差をなすように形成されている。また、この段差部１Ｃの下端に連なる部分については、排気ポート側傾斜面１Ｂは実質的に傾斜のない平坦部１Ｄとなっている。この平坦部１Ｄの部分についても傾斜があってもよいのであるが、このように平坦にすることにより均質燃焼が行われる高負荷運転時の出力の点で有利になる。
【００２３】
次に作用を説明する。
【００２４】
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、略直線形状に形成された吸気ポート９ａより選択的に流入し、従って従来のヘリカル形状の吸気ポートに対して吸気マニホールド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内に略水平方向の速度成分が主体の旋回流つまりスワールを発生させる。キャビティ６内のスワールは前記シリンダ内旋回流が、吸気および圧縮行程にかけてキャビティ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は、圧縮行程においてキャビティ６の底面を指向するように噴射弁２により噴射される。
【００２５】
上述したシリンダ内への吸気流はそのすべてがスワールを形成することが望ましいのであるが、主としてシリンダに対する吸気ポート９の進入角度の関係から、特にシリンダ中央部付近に縦方向の速度成分が主体のタンブルを形成しがちであり、これがキャビティ６に進入するとキャビティ内スワールを阻害して成層燃焼の点で好ましくない。
【００２６】
これに対して、この実施形態の構成によれば、図３に示したように、縦方向のタンブルＴが排気ポート側傾斜面１Ｂに形成した急角度の段差部１Ｃに衝突することによりスワールＳの下流方向に向けて水平方向に向きを変えるため、この流れとの合流によりスワールＳはむしろ加勢される。そして、ピストン上面の傾斜面１Ａ，１Ｂは、それぞれシリンダヘッド側壁面５ａ，５ｂに対して略平行に形成されており、図１でピストン上面を一点鎖線で示すように、圧縮上死点近傍ではキャビティ６の上部空間は極めて小さく限定され、このとき前記の通り加勢されたスワールＳはキャビティ６内に有効に保存され、スワールＳがキャビティ６から外に逃げることを抑制できる。また、このときスワールＳが流れて行く下流部分つまり端部Ｒ１では段差部１Ｃの傾斜が小さく、また上流側の端部Ｒ２については段差が小さくなっていることから、ピストン上面に沿ったスワールの流れが抵抗を受けることがなく、円滑に流れるので長時間にわたりスワールが維持される。さらに、ピストン中心付近の段差部１Ｃの傾斜は、端部Ｒ１付近よりも大きく形成されているので、タンブルＴがこの段差部１Ｃを乗り越えて直接キャビティ６へ向かうことを防止でき、スワールの強化に有効である。
【００２７】
このようにして、特にキャビティ６内のスワールを阻害しがちなタンブル流成分の影響を抑制してシリンダ及びキャビティ内に強いスワールを維持できるので、ヘリカルポートのような吸入抵抗の大きな構造を採用する必要がなく、すなわち高負荷時の出力特性を犠牲にすることなく、成層燃焼を行う低中負荷運転域での燃焼性を改善することができる。また、この場合段差部１Ｃが直線的な形状であるので加工が容易であるという利点もある。
【００２８】
次に、本発明の第２の実施形態につき図５〜図８に基づいて説明する。なお図１から図４に対応する部分には同一の符号を付して示してある。
【００２９】
この実施形態では、図示したようにピストン１の上面に形成する段差部１Ｃが、その上端縁部Ｒが、ピストン１上面のキャビティ６に隣接する略中央部から各傾斜面の境界稜線部Ｌの両端方向に、平面上Ｖ字形状をなすように、かつ前記両端部Ｒ１，Ｒ２での傾斜角度が中央部側よりも小さくなるように形成されている。
【００３０】
この実施形態によれば、図７または図８にも示したように、キャビティ６に侵入しようとするタンブルＴが段差部１Ｃの中央部分にて阻止されて水平方向の流れに変換されるため、上記第１の実施形態と同様にスワールＳを付勢する作用が得られる。また、ピストン略中央部を中心として段差部１Ｃが対称形状となるので、ピストンの重量バランスが良いことに加えて、スワールＳの方向にかかわらず、例えば各気筒毎に吸気ポート９ａ，９ｂの何れに吸気制御弁１１を設けるかによらずにピストン１を適用でき、すなわちピストン１の汎用性または互換性が高められるという利点を生じる。また、ピストン中心付近の段差部１Ｃの傾斜が急峻に形成されるので、タンブルがこの急峻な部分を乗り越えて直接キャビティ６へ向かうことを有効に防止できる。
【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縦断面図。
【図２】  第１の実施形態の平面図。
【図３】  第１の実施形態のピストンの平面図。
【図４】  図３のＡ−Ａ断面図。
【図５】  本発明の第２の実施形態のピストンの平面図。
【図６】  図５のＡ−Ａ断面図。
【図７】  第２の実施形態の作用を示す斜視図。
【図８】  第２の実施形態の作用を示す平面図。
【符号の説明】
１    ピストン
１Ａ  吸気ポート側傾斜面
１Ｂ  排気ポート側傾斜面
１Ｃ  段差部
１Ｄ  平坦部
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    キャビティ
７    吸気バルブ
８    排気バルブ
９ａ，９ｂ    吸気ポート
１０ａ，１０ｂ    吸気マニホールド
１１    吸気制御弁
１２    燃焼室
１３ａ，１３ｂ    排気ポート
Ｌ    傾斜面の境界稜線部
Ｒ    段差部の上端縁部
【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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