(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ型燃焼室に２つの吸気弁および２つの排気弁を有するとともに、シリンダ略中央に点火プラグを有し、かつ、シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁が吸気弁側のシリンダヘッド底部に配置され、シリンダ内にタンブル流成分を付与した状態で吸気行程付近で燃料噴射を行うことにより均質燃焼を実現するとともに、シリンダ内にスワール成分を付与した状態で圧縮行程付近で燃料噴射を行うことにより成層燃焼を実現するようにした筒内噴射式内燃機関のピストンにおいて、
上記ペントルーフ型燃焼室を構成する２つの傾斜面にそれぞれ略平行となるように傾斜した吸気弁側傾斜面および排気弁側傾斜面を有する頂部の凸部と、この凸部中央に凹設された真円形のボウルと、このボウルの外周縁に沿って円弧状に凹設され、かつスワール旋回方向について下流側となる一端部が上記ボウルに連通しているとともに、この下流側となる一端部の溝深さが他端部よりも深い一対のスワール案内溝と、を備え、該スワール案内溝が上記ボウルの全周を囲むように形成され、かつ、燃料噴射弁に近い一方のスワール案内溝が、他方のスワール案内溝に比して、狭くかつ深いことを特徴とする筒内噴射式内燃機関のピストン。
【請求項２】
ピストンが上死点にあるときにシリンダヘッド側の燃焼室壁面とスワール案内溝との間に生じる流路が、上記下流側の端部へ向かって徐々に上下方向に拡大するように、スワール案内溝の深さが設定されていることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関のピストン。
【請求項３】
上記燃料噴射弁の噴霧角は、圧縮行程付近で噴射したときにスワール案内溝を含むように広角度に設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の筒内噴射式内燃機関のピストン。
【請求項４】
上記スワール案内溝とボウルとの間に残存する突条部が、シリンダ平面上で上記燃料噴射弁の噴霧軸線と交差することを特徴とする請求項３記載の筒内噴射式内燃機関のピストン。
【請求項５】
上記の一対のスワール案内溝が、両者間に残存する突条部によって互いに仕切られていることを特徴とする請求項１記載の筒内噴射式内燃機関のピストン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガソリン機関に代表される筒内噴射式内燃機関のピストン、特に、シリンダ内に生成されるタンブル成分およびスワール成分を利用して、均質燃焼と成層燃焼の双方が可能な筒内噴射式内燃機関のピストンの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
全開出力時等にシリンダ内に略均質な空燃比の混合気を形成していわゆる均質燃焼を行うとともに、低負荷域では、シリンダ内の一部つまり点火プラグ近傍のみに比較的濃い混合気を形成して平均的な空燃比を非常に大きく得るようした成層燃焼を行う筒内噴射式内燃機関が従来から種々提案されている。
【０００３】
成層希薄燃焼を可能とした筒内噴射式内燃機関のピストンとしては、例えば、特公平８−３５４２９号公報に記載のものが知られている。この公報に記載の内燃機関は、ピストンの頂部に、ピストン外形円に対し偏心した非円形のボウルが形成されているとともに、ピストン上死点付近において該ボウルへ向けて燃料を噴射供給できるように燃料噴射弁が配置されている。上記ボウルは、内部に燃料およびスワールを封じ込めるように、リエントラント型の構成となっている。また、このボウルに強いスワールを生成するために、一対の吸気ポートの一方をヘリカルポートとして構成するとともに、他方の吸気ポートを開閉する空気制御弁を備えている。
【０００４】
つまり、この公報の内燃機関では、希薄燃焼時には、上記空気制御弁を閉じて一方のヘリカルポートのみから新気を導入し、シリンダ内に強いスワールを生成する。このスワールは、ピストンの上昇に伴ってボウル内に導入されるので、圧縮上死点付近でボウル内に燃料を噴射することにより、ボウル内で可燃混合気が形成され、かつ点火プラグ近傍に運ばれる。従って、適宜な時期に点火を行うことにより、着火燃焼に至ることになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構成では、ピストン頂部のボウルに十分な強度のスワールを保存するために、上述のようにヘリカルポートを利用して、シリンダ内に非常に強いスワールを生成するようにしているので、全開出力時に、吸気抵抗が大きく、最大出力が抑制されてしまう、という欠点がある。
【０００６】
また仮にヘリカルポートとせずに直線状のポートとした場合には、ボウル内に十分な強度のスワールを生成することは困難である。
【０００７】
さらに、上記のような構成では、上死点付近で噴射された燃料が全てボウル内に入るように燃料噴射弁の噴霧角を狭く設定する必要があり、吸気行程中に噴射される均質燃焼時に、それだけ燃料の霧化が悪くなり、全開出力等の点で不利となる。
【０００８】
つまり、成層希薄燃焼と高負荷時の均質燃焼とを十分に両立させることができない。
【０００９】
この発明は、ヘリカルポートを用いずに成層希薄燃焼を実現でき、かつこの成層希薄燃焼と均質燃焼とを十分に両立させることを可能とする筒内噴射式内燃機関のピストン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】
この発明に係る筒内噴射式内燃機関のピストンは、シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ型燃焼室に２つの吸気弁および２つの排気弁を有するとともに、シリンダ略中央に点火プラグを有し、かつ、シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁が吸気弁側のシリンダヘッド底部に配置され、シリンダ内にタンブル流成分を付与した状態で吸気行程付近で燃料噴射を行うことにより均質燃焼を実現するとともに、シリンダ内にスワール成分を付与した状態で圧縮行程付近で燃料噴射を行うことにより成層燃焼を実現するようにした筒内噴射式内燃機関のピストンにおいて、
上記ペントルーフ型燃焼室を構成する２つの傾斜面にそれぞれ略平行となるように傾斜した吸気弁側傾斜面および排気弁側傾斜面を有する頂部の凸部と、この凸部中央に凹設された真円形のボウルと、このボウルの外周縁に沿って円弧状に凹設され、かつスワール旋回方向について下流側となる一端部が上記ボウルに連通しているとともに、この下流側となる一端部の溝深さが他端部よりも深い一対のスワール案内溝と、を備え、該スワール案内溝が上記ボウルの全周を囲むように形成され、かつ、燃料噴射弁に近い一方のスワール案内溝が、他方のスワール案内溝に比して、狭くかつ深いことを特徴としている。
【００１１】
【００１２】
上記の構成では、吸気弁側傾斜面と排気弁側傾斜面とを有するピストン頂部の凸部が、ピストン上死点において、シリンダヘッド側の燃焼室内に入り込むようになっており、両者間の空間は非常に小さなものとなる。成層燃焼時には、例えば一方の吸気ポートを閉じる等の手段によって、シリンダ内にスワールが生成される。このスワールは、ピストンの上昇に伴ってボウル内に封じ込められるが、ピストンが上昇すると、スワール案内溝内のガスは、溝深さが深い方へ進もうとするので、スワールが助長もしくは強化され、ヘリカルポートに依存しなくとも、十分なスワールをボウル内に確保できる。そして、上死点近傍で燃料がボウルへ向けて噴射されることにより、良好な成層燃焼を実現できる。また均質燃焼時には、一対の吸気弁を介してシリンダ内に流入した新気によってタンブル流が生成され、かつ吸気行程付近で燃料が噴射される。このタンブル流によってボウル内の燃料の滞留が防止され、均質な混合気による均質燃焼を実現できる。
ここで本発明では、特に、燃料噴射弁に近い一方のスワール案内溝が、他方のスワール案内溝に比して、狭くかつ深い。これにより、燃料噴射弁に近いスワール案内溝のガス流動（スワール）が相対的に強くなり、ここに衝突した燃料が速やかにボウルへ送り込まれる。
【００１３】
特に、請求項２の発明では、ピストンが上死点にあるときにシリンダヘッド側の燃焼室壁面とスワール案内溝との間に生じる流路が、上記下流側の端部へ向かって徐々に上下方向に拡大するように、スワール案内溝の深さが設定されている。従って、ピストンの上昇に伴ってピストン頂部がシリンダヘッド側の燃焼室壁面に接近すると、流路面積が拡大するスワール下流側へ向かって確実にガス流動が生じ、スワールの強化が達成される。
【００１４】
また請求項３の発明では、上記燃料噴射弁の噴霧角が、圧縮行程付近で噴射したときにスワール案内溝を含むように広角度に設定されている。すなわち、本発明では、スワール案内溝内をボウルへ向かってスワールが流れるので、請求項４のように噴霧角を大きく設定しても、案内溝に付着した燃料がボウル内へ向かい、成層化を実現できる。しかも、このように広く噴射することで、ピストンに付着した燃料の液膜厚さが薄くなり、蒸発も促進されるため、すすの抑制の上でも有利となる。そして、このように噴霧角を拡大すれば、均質燃焼時には、燃料の霧化が良好なものとなる。
【００１５】
また請求項４の発明においては、上記スワール案内溝とボウルとの間に残存する突条部が、シリンダ平面上で上記燃料噴射弁の噴霧軸線と交差している。
【００１６】
この構成では、手前側つまり燃料噴射弁寄りの突条部に衝突した燃料が、スワール案内溝を流れるスワールによって速やかにボウルへ送り込まれ、かつ微粒化、蒸発する。
【００１７】
【００１８】
【発明の効果】
この発明に係る筒内噴射式内燃機関のピストンによれば、ピストンの上下動を利用してスワールの助長、強化を行うことができるので、ヘリカルポートのような手段を利用しなくとも、シリンダ内に発生したスワールとともにボウル内に十分に強いスワールを生成でき、安定した成層燃焼を実現できる。また、燃料噴射弁の噴霧角を拡大することが可能となり、タンブル流を利用した均質燃焼の際に、燃料の霧化が良好なものとなるので、良好な均質燃焼が可能となる。つまり、低負荷時の成層希薄燃焼と高負荷時の均質燃焼とを非常に高いレベルで両立させることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
始めに、この発明のピストン４が用いられる筒内噴射式内燃機関の構成を図１および図２に基づいて説明する。図示するように、シリンダブロック１には、複数のシリンダ３が直列に配置されており、その上面を覆うように、シリンダヘッド２が固定されている。上記シリンダ３内には、ピストン４が摺動可能に嵌合している。また、上記シリンダヘッド２に凹設された燃焼室１１は、いわゆるペントルーフ型に構成されており、その一方の傾斜面１１ａに一対の吸気弁５が、他方の傾斜面１１ｂに一対の排気弁６がそれぞれ配置されている。そして、これらの一対の吸気弁５および一対の排気弁６によって囲まれたシリンダ３の略中心位置に、点火プラグ７が配置されている。
【００２１】
上記シリンダヘッド２には、一対の吸気弁５にそれぞれ対応する一対の吸気ポート８が、互いに独立して形成されている。つまり、この一対の吸気ポート８は、シリンダヘッド２内で合流せず、それぞれシリンダヘッド２側面において独立して開口している。また上記排気弁６に対応して排気ポート９が形成されている。
【００２２】
略円筒状をなす電磁式燃料噴射弁１０は、吸気弁５側のシリンダ３側壁寄りのシリンダヘッド２下面部に配置されており、その中心軸が斜め下方へ向かった姿勢で取り付けられている。特に、図２に示すように、上記燃料噴射弁１０は、２つの吸気弁５の間に配置されている。
【００２３】
上記シリンダ３内に配置されたピストン４の頂部中央には、後述するように、円形のボウル１２が形成されており、ピストン４が上死点近傍にあるときに、上記燃料噴射弁１０の噴霧軸線がこのボウル１２を指向するようになっている。なお、この燃料噴射弁１０の噴霧角は、上死点近傍で燃料が噴射されたときに、ボウル１２の外側にまで燃料噴霧が広がるように、比較的広く設定されている。
【００２４】
上記の一対の吸気ポート８は、それぞれ吸気マニホルド１３側に独立して形成された一対の吸気通路１４ａ，１４ｂに接続されている。そして、一方の吸気通路１４ｂ内には、該吸気通路１４ｂを開閉するバタフライバルブ型の空気制御弁１５が介装されている。この空気制御弁１５は、シャフト１６を介して図示せぬ駆動機構により機関運転条件に応じて開閉制御される。なお、上記空気制御弁１５が閉じた状態では、他方の吸気通路１４ａに連なる吸気ポート８のみを通して新気が流入するのであるが、この吸気ポート８は、ヘリカルポートではなく、略直線状のポート形状をなしている。
【００２５】
上記の内燃機関の基本的な作用について簡単に説明すると、先ず、機関の全負荷時あるいは希薄燃焼域の中でも比較的空燃比が小さな領域では、シリンダ３内に均質な混合気を形成して点火する均質燃焼が行われる。この均質燃焼時には、上記空気制御弁１５は、開状態に制御され、一対の吸気ポート８の双方からシリンダ３内へ新気が導入される。これにより、シリンダ３内には、強いタンブル流（縦渦）が生成される。また、燃料は、吸気行程中にシリンダ３内に噴射供給される。この燃料は、タンブル流によってシリンダ３内で積極的に拡散され、ボウル１２内に滞留することなく均質化が促進される。
【００２６】
一方、低負荷域で、かつ空燃比を非常に大きくする希薄燃焼域では、混合気の成層化により確実な着火を可能とする成層希薄燃焼を行う。この成層希薄燃焼時には、上記空気制御弁１５が閉じられ、一方の吸気ポート８のみからシリンダ３内に新気が流入する。これにより、シリンダ３内では、タンブル成分が相対的に弱められ、かつ水平方向に沿ったスワール流が強く生成される。そして、この成層希薄燃焼の際には、燃料は、圧縮行程の後半において燃料噴射弁１０からボウル１２へ向けて噴射される。この噴射された燃料は、ピストン４頂部のボウル１２内に封じ込められたスワール流に乗って気化し、点火プラグ７周辺に着火可能な混合気を形成するので、適宜なタイミングで点火することにより、着火燃焼が可能となる。
【００２７】
次に、図３〜図５に基づいて、参考例となるピストン４の基本的な構成、特にその頂部の構成を詳細に説明する。
【００２８】
このピストン４においては、上死点において、ボウル１２がシリンダ３内の空間の大部分を占めるように、頂面に凸部２１が設けられている。この凸部２１は、基本的に２つの面から山形に構成されている。すなわち、シリンダヘッド２側のペントルーフ型燃焼室１１を構成する２つの傾斜面１１ａ，１１ｂに対し略平行な平面からなる吸気弁側傾斜面２２および排気弁側傾斜面２３を有し、これらが、ピストン４中央の尾根部２１ａで交差した形となっている。また、この凸部２１の側面２４，２５は、ピストン４の外形円と同心の円錐面から構成されている。
【００２９】
この図３〜図５に示す第１の参考例においては、ボウル１２は、点火プラグ７と同心をなすように、ピストン４の中心に設けられている。つまり吸気弁側傾斜面２２と排気弁側傾斜面２３とに亙って凹設されている。上記ボウル１２は、ピストン４の平面上で見て真円形をなし、かつ比較的小型でかつ深いものとなっている。そして、底面がピストン４中心線と直交する面に沿っているとともに、内周側壁面が上方へ向かって緩くテーパ状に拡がった形をなしている。図１に示すように、ピストン４が上死点にあるときには、点火プラグ７がボウル１２内に入り、かつその外周部が凸部２１により囲まれた形となる。
【００３０】
また上記ボウル１２の外周部には、一対のスワール案内溝２６，２７が凹設されている。２つのスワール案内溝２６，２７は、ボウル１２を中心として回転対称形状をなしており、両者によって、ボウル１２の全周が囲まれている。各スワール案内溝２６，２７は、始端部２６ａ，２７ａが尾根部２１ａ付近にあり、ここからスワール旋回方向に沿って円弧状に延びているとともに、略１８０°旋回して終端部２６ｂ，２７ｂがやはり尾根部２１ａに位置し、かつこの終端部２６ｂ，２７ｂがボウル１２にそれぞれ連通している。各スワール案内溝２６，２７の始端部２６ａ，２７ａは、他方のスワール案内溝２６，２７の終端部２６ｂ，２７ｂの外周側に重なっている。つまり、スワール案内溝２６，２７は、始端部２６ａ，２７ａから徐々に内周側へ向かうように形成されている。そして、終端部２６ｂ，２７ｂを除く部分では、ボウル１２や他方のスワール案内溝２６，２７との間を仕切るように、突条部２８，２９が残存している。また、上記スワール案内溝２６，２７は、その溝深さが、始端部２６ａ，２７ａから終端部２６ｂ，２７ｂへ向かって徐々に深くなっている。なお、ボウル１２は、終端部２６ｂ，２７ｂの深さよりもさらに深く形成されている。
【００３１】
上記の構成においては、真円形をなすボウル１２がピストン４中心に位置し、かつスワール旋回方向に沿ってスワール案内溝２６，２７が形成されているため、成層燃焼時にシリンダ３内に生成されたスワールが、該ボウル１２内にスムースに案内され、十分な強さを保ったまま保存される。しかも、圧縮行程後半においてボウル１２へ向けて燃料が噴射された後、ピストン４が上死点に近づくと、ボウル１２を囲む吸気弁側傾斜面２２と排気弁側傾斜面２３とが、図１に示すように、シリンダヘッド２側の対応する平面にそれぞれ近接するため、シリンダ３内のガスがスワール案内溝２６，２７に封じ込められ、かつその流路が拡大する方向つまり終端部２６ｂ，２７ｂへ向かって動こうとするので、スワール旋回方向と同方向の流れが発生する。従って、ボウル１２内のスワールが助長、強化される。しかも、燃料噴射弁１０から噴射された燃料は、ボウル１２の外側に位置するスワール案内溝２６，２７にも広がるが、スワール案内溝２６，２７に付着した燃料は、スワールに乗って速やかにボウル１２内に運び込まれる。特に、ボウル１２の手前側に位置する突条部２８に衝突した燃料も、スワール案内溝２６に沿って速やかにボウル１２内に移動する。そのため、噴霧角が広くても、十分に良好な成層化を達成できる。しかも、ボウル１２へ向かう間に、燃料の気化も進み、ボウル１２内での燃焼が良好となる。従って、吸気ポート８をヘリカルポートとせずとも安定した成層希薄燃焼が可能となり、ヘリカルポートを用いることによる最大出力の低下を回避できる。
【００３２】
また、均質燃焼時には、一対の吸気ポート８から流入した新気によってシリンダ３内にタンブル流が形成され、かつ吸気行程中に燃料噴射が行われる。ここで、燃料噴射弁１０の噴霧角を大きく設定することによって、燃料噴霧が広く拡散することになり、従って、高負荷時にも均質な混合気を形成でき、良好な均質燃焼が可能である。
【００３３】
次に、図６〜図８は、ピストン４の第２の参考例を示している。この参考例においては、ボウル１２が吸気弁５側に偏心しており、シリンダ３の中心に位置する点火プラグ７がボウル１２の外周部に来るように構成されている。そして、これに対応して、一対のスワール案内溝２６，２７が上述した第１の参考例と同様に形成されている。
【００３４】
なお、凸部２１を構成する吸気弁側傾斜面２２および排気弁側傾斜面２３の傾斜に伴ってスワール案内溝２６，２７の上縁の位置が変化しているが、基本的に、ピストン４が上死点にあるときにシリンダヘッド２側の燃焼室１１壁面とスワール案内溝２６，２７との間に生じる流路が、終端部２６ｂ，２７ｂへ向かって徐々に上下に拡大するように、スワール案内溝２６，２７の深さが設定されている。
【００３５】
この第２の参考例においては、ボウル１２外周部をスワールとともに流れる濃厚な混合気が点火プラグ７近傍に集まりやすくなり、一層確実な着火が可能となる。
【００３６】
次に、図９〜図１１は、この発明に係るピストン４の実施例を示している。この実施例においては、第２の参考例と同様に、ボウル１２が吸気弁５側に偏心しており、シリンダ３の中心に位置する点火プラグ７がボウル１２の外周部に来るように構成されている。そして、このボウル１２の両側に、一対のスワール案内溝２６，２７が形成されているが、この実施例では、燃料噴射弁１０に近い一方のスワール案内溝２６が、他方のスワール案内溝２７に比して、径方向の幅が狭く、かつ深く形成されている。
【００３７】
このように構成することにより、燃料噴射弁１０に近いスワール案内溝２６でのガス流動つまりスワールが相対的に強くなり、ここに衝突して付着した燃料がさらに速やかにボウル１２へ送り込まれるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明に係る筒内噴射式内燃機関の構成を示す縦断面図。
【図２】  この内燃機関の平面図上の構成を示す説明図。
【図３】  第１の参考例となるピストンの構成を示す平面図。
【図４】  図３のＡ−Ａ線に沿った断面図。
【図５】  図３のＢ−Ｂ線に沿った断面図。
【図６】  第２の参考例となるピストンの構成を示す平面図。
【図７】  図６のＣ−Ｃ線に沿った断面図。
【図８】  図６のＤ−Ｄ線に沿った断面図。
【図９】  この発明に係るピストンの実施例を示す平面図。
【図１０】  図９のＥ−Ｅ線に沿った断面図。
【図１１】  図９のＦ−Ｆ線に沿った断面図。
【符号の説明】
４…ピストン
１２…ボウル
２１…凸部
２２…吸気弁側傾斜面
２３…排気弁側傾斜面
２６，２７…スワール案内溝
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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