(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室の略中央部に点火プラグを設けると共に、吸気弁付近に燃料を直接燃焼室に噴霧する燃料噴射弁を設ける一方、ピストン冠面の吸気弁設置側冠面に偏寄して前記点火プラグを受容し、かつ、ピストン上死点付近で前記燃料噴射弁から燃料が噴霧された際にこの噴霧燃料を受容し得るキャビティ燃焼室を形成した筒内噴射式火花点火機関において、
前記キャビティ燃焼室の開口縁の点火プラグに対応する側の縁部に、排気弁と干渉しない前記キャビティの周長範囲で所要高さの突縁部を排気弁設置側のピストン冠面から突設させて形成したことを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。
【請求項２】
吸気弁は機関の運転条件に合わせて開閉特性を変化させる可変動弁機構を備えていて、ピストンの吸気弁設置側冠面には吸気弁に対応する位置にバルブリセスを設けると共に、該吸気弁設置側冠面を、ピストン冠面の基準面よりも高く形成したことを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃焼室に直接燃料を噴霧する筒内噴射式火花点火機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内噴射式火花点火機関は、例えば特開平８−３５４２９号公報に示されているように、高負荷運転域（以下、単に高負荷域と称する）では燃焼室に略均質な空撚比の混合気を形成して所謂均質燃焼を行わせる一方、低負荷運転域（以下、単に低負荷域と称する）では点火プラグ周りにのみ比較的濃い混合気を形成し、平均的な空撚比を非常に大きく（稀薄化）して所謂成層燃焼を行わせるようにしたものである。
【０００３】
このような筒内噴射式火花点火機関は、ペントルーフタイプの燃焼室を形成するシリンダヘッドの一側部に２つの吸気弁を、および他側部に２つの排気弁を配設し、燃焼室中央部分に点火プラグを配設すると共に２つの吸気弁間に燃料噴射弁を配設する一方、ピストン冠面は燃焼室のペントルーフ形状に合わせて山形に形成して、該ピストン冠面の吸気弁設置側の一側部に偏寄して、前記点火プラグのプラグ電極を受容できる範囲にキャビティ燃焼室を凹設してある。
【０００４】
吸気弁をそれぞれ配設した吸気ポートは例えばサイヤミズドポートとしてそれぞれ独立ポートに形成し、そのうちの一方の吸気ポートは燃焼室で吸気に強いスワールを付与し得るようにヘリカルポートとして構成している。
【０００５】
そして、低負荷域では圧縮行程でピストン上死点付近において前記燃料噴射弁から、キャビティ燃焼室に生成された吸気のスワール（以下、単にスワールと称する）の上流側に向けて燃料を噴霧することにより前述した成層燃焼を可能としている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
燃焼室のペントルーフ形状に合わせて山形に形成したピストン冠面の傾斜面は、吸気弁および排気弁と干渉しないようにペントルーフ面とピストン冠面との間に余裕をもった所要のクリアランスを確保できる高さ位置を基準として設定してあるが、このようにペントルーフ面とピストン冠面との間に余裕をもってクリアランスを設定してあることによって、成層燃焼時にピストン上死点付近でピストン冠面のキャビティ燃焼室からスワールおよび噴霧燃料が前記傾斜面側へ逃げ出してしまう可能性があり、特に点火プラグ周りから噴霧燃料がキャビティ燃焼室から排気弁設置側の傾斜面側へ逃げてしまうと、該点火プラグ周りに濃い混合気を安定的に形成することができなくなって、着火性，燃焼性が不安定となる可能性がある。
【０００７】
前述のスワールおよび噴霧燃料のキャビティ燃焼室外への逃げ出しを抑制するためには、キャビティ燃焼室の容積を拡大することが考えられるが、この場合圧縮比が低下して出力の低下を誘発してしまうことから、キャビティ燃焼室の容積拡大化にも自ずと限界がある。
【０００８】
そこで、本発明はキャビティ燃焼室の容積を拡大することなく成層燃焼時におけるスワールおよび噴霧燃料のキャビティ燃焼室外への逃げ出しを可及的に抑制することができて、着火性，燃焼性を向上することができる筒内噴射式火花点火機関を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明にあっては、燃焼室の略中央部に点火プラグを設けると共に、吸気弁付近に燃料を直接燃焼室に噴霧する燃料噴射弁を設ける一方、ピストン冠面の吸気弁設置側冠面に偏寄して前記点火プラグを受容し、かつ、ピストン上死点付近で前記燃料噴射弁から燃料が噴霧された際にこの噴霧燃料を受容し得るキャビティ燃焼室を形成した筒内噴射式火花点火機関において、前記キャビティ燃焼室の開口縁の点火プラグに対応する側の縁部に、排気弁と干渉しない前記キャビティの周長範囲で所要高さの突縁部を排気弁設置側のピストン冠面から突設させて形成したことを特徴としている。
【００１１】
請求項２の発明にあっては、請求項１に記載の吸気弁は、機関の運転条件に合わせて開閉特性を変化させる可変動弁機構を備えていて、ピストンの吸気弁設置側冠面には吸気弁に対応する位置にバルブリセスを設けると共に、該吸気弁設置側冠面を、ピストン冠面の基準面よりも高く形成したことを特徴としている。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、キャビティ燃焼室の開口縁の点火プラグに対応する側の縁部には、排気弁と干渉しない前記キャビティの周長範囲で所要高さの突縁部を排気弁設置側のピストン冠面から突設させて形成してあるため、成層燃焼時にこの突縁部によってキャビティ燃焼室の点火プラグ周りからキャビティ燃焼室内のスワールおよび噴霧燃料が排気弁設置側冠面上へ逃げ出るのを抑制することができ、従って、点火プラグ周りに確実に濃い混合気を形成することができて、着火性を向上することができると共に燃焼効率を向上することができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、吸気弁は可変動弁機構によって機関運転条件に合わせて開閉特性を変化させるようにしてあるから、成層燃焼を行う低負荷域および均質燃焼を行う高負荷域のそれぞれの運転状態に合わせて作動角やバルブリフト等の弁特性を最適に制御できて、安定した燃焼性と出力の向上とを図ることができる。
【００１７】
また、吸気弁設置側冠面をピストン冠面の基準面よりも高く形成してあるから、成層燃焼時にキャビティ燃焼室内のスワールおよび噴霧燃料が、吸気弁設置側冠面上へ逃げ出るのを回避することができて、成層燃焼の安定性をより一層向上することができる。
【００１８】
更に、このように吸気弁設置側冠面を基準面よりも高く形成してあるため、バルブリセス形成による燃焼室容積の増大分を埋めて圧縮化を高められて出力を更に向上することができると共に、燃焼室ルーフ面と吸気弁設置側冠面との間のクリアランスが狭められてスキッシュが強化され、燃焼の安定性を更に向上することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。
【００２３】
図１〜４において、１はペントルーフタイプの燃焼室、２はピストンを示し、該ピストン２の冠面は燃焼室１のペントルーフ形状に合わせて冠面中央部の頂部に稜線を持つ山形に形成してある。
【００２４】
燃焼室１は２つの吸気弁３，３と、該吸気弁３，３と対向配置した２つの排気弁４，４を備えていると共に、燃焼室１の中央部に点火プラグ５を、および前記２つの吸気弁３，３間に燃料を直接燃焼室１に噴霧する燃料噴射弁６を備えている。
【００２５】
この燃料噴射弁６は成層燃焼時に後述するキャビティ燃焼室７に向けて燃料を噴霧し得る任意の角度で取付けてある。
【００２６】
ピストン２の冠面には、その頂部の稜線で略半分に区分されて吸気弁設置側に傾斜した吸気弁設置側冠面２Ａに偏寄してキャビティ燃焼室７を凹設してある。
【００２７】
このキャビティ燃焼室７は点火プラグ５のプラグ電極５ａを受容し得るように前記頂部の稜線から排気弁設置側に傾斜した排気弁設置側冠面２Ｂに部分的に跨るようにして形成されていて、成層燃焼時にピストン上死点付近で燃料噴射弁６から燃料が噴霧された際にこの噴霧燃料の全てを受容し得る開口面積としてある。
【００２８】
前記ピストン冠面、即ち、吸気弁設置側冠面２Ａおよび排気弁設置側冠面２Ｂは、吸気弁３および排気弁４と干渉しないように燃焼室１のペントルーフ面との間に余裕をもった所要のクリアランスを確保できる高さ位置を基準面Ｓとする傾斜面に形成して、筒内噴射式火花点火機関の基本的な燃焼室構造としてある。
【００２９】
即ち、成層燃焼を行う低負荷域で吸気弁３，３の一方もしくは両方から燃焼室１に供給される吸気に図２の矢印で示すように強いスワールが与えられ、圧縮行程のピストン上死点付近で燃焼噴射弁６からキャビティ燃焼室７内のスワール上流側に向けて燃料が噴霧されて、該噴霧燃料がスワールに乗って拡散混合されながら点火プラグ５側へ移行することにより、該点火プラグ５周りに濃い混合気を形成させることができて確実な着火を行わせることができると共に、スワール下流側で後期燃焼を行わせて平均的な空撚比を非常に大きく（稀薄化）した状態での成層燃焼が可能となる。
【００３０】
ここで、本実施形態にあっては前記キャビティ燃焼室７の開口縁の点火プラグ５に対応する側の縁部に、２つの排気弁４，４間でこれら両排気弁４，４と干渉しないキャビティの周長範囲で所要高さの突縁部８を形成してある。
【００３１】
以上の実施形態の構造によれば、キャビティ燃焼室７の開口縁の点火プラグ５に対応する側の縁部には、２つの排気弁４，４と干渉しないキャビティの周長範囲で所要高さの突縁部８を形成して、キャビティ燃焼室７の点火プラグ５周りの周壁部分の高さを高くしてあるため、成層燃焼時に図１の斜線で示すように燃料噴射弁６からキャビティ燃焼室７内のスワール上流側に向けて燃料が噴霧され、この噴霧燃料が図２の斜線で示すようにスワールに乗って拡散混合しながら点火プラグ５側へ移行した場合に、前記突縁部８によってキャビティ燃焼室７の点火プラグ５周りからスワールおよび燃料がピストン２の排気弁設置側冠面２Ｂ上へ逃げ出るのを可及的に抑制することができる。
【００３２】
この結果、点火プラグ５周りに確実に濃い混合気を形成することができて、着火性を向上することができると共に燃焼効率を向上できて成層燃焼の安定性の向上と未撚ＨＣの抑制とを実現することができる。
【００３３】
図５，６は本発明の第１参考形態を示すもので、本実施形態にあってはピストン２の冠面の頂部の稜線で区分された排気弁設置側冠面２Ｂを、２つの排気弁４，４に対応する部分を除いてピストン冠面の基準面Ｓよりも高く、例えば前記第１実施形態における突縁部８の高さよりも若干高く形成してある。
【００３４】
即ち、この第１参考形態の排気弁設置側冠面２Ｂは、ピストン冠面の基準面Ｓよりも所要の高さで高く形成すると共に、該排気弁設置例冠面２Ｂの２つの排気弁４，４に対応する部分には、これら排気弁４，４との干渉を避けるためのバルブリセス９，９を形成した構造としてある。
【００３５】
従って、この第１参考形態の構造によれば、ピストン冠面の排気弁設置側冠面２Ｂを、排気弁４，４に対応する部分を除いてピストン冠面の基準面Ｓよりも高く形成してあって、キャビティ燃焼室７の点火プラグ５を囲繞する部分の周壁高さが全体的に高くされているため、成層燃焼時にキャビティ燃焼室７の開口縁部の点火プラグ５を囲繞する排気弁設置側冠面２Ｂの縁部から、キャビティ燃焼室７内のスワールおよび噴霧燃料が排気弁設置側冠面２Ｂ上へ逃げ出るのを回避することができる。
【００３６】
この結果、点火プラグ５周りにより確実に濃い混合気を形成することができて、着火性と燃焼効率とを更に向上することができる。
【００３７】
また、燃焼室ルーフ面と排気弁設置側冠面２Ｂとの間のクリアランスが狭められてスキッシュが強化され、燃焼の安定性を向上することができる。
【００３８】
図７〜１０に示す実施形態は何れも吸気弁３，３を可変動弁機構２０によって機関の運転条件に合わせて開閉特性を制御するようにしたものである。
【００３９】
この可変動弁機構２０として、例えば前記吸気弁３，３のバルブタイミングを同時に進角側，遅角側へ制御する公知（特開平５−３３２１１２号公報参照）の可変バルブタイミング装置を用いることができる。
【００４０】
この可変バルブタイミング装置２０は図１１に示すように、吸気弁駆動用カムシャフト２１とその軸端のカムプーリー２２との軸装部分の間に、これら両者にヘリカルギヤ２４で噛合したプランジャ２３を内装し、前記吸気弁駆動用カムシャフト２１の油孔２１ａに連通したドレーン孔２１ｂに設けられた制御バルブ２５を、機関運転状態に応じてコントロールユニット２６を介してＯＮ・ＯＦＦ制御される可変バルブタイミング制御用ソレノイド２７によって駆動し、シリンダブロックオイルギャラリ２８から前記プランジャ２３の一端側への油圧供給制御を行うことにより、吸気弁駆動用カムシャフト２１をタイミングベルトとの相対位置関係が固定的なカムプーリー２２に対して周方向へ回動させて相対位置を変化させ、該吸気弁駆動用カムシャフト２１に所謂ひねりを付与するものである。
【００４１】
従って、この可変バルブタイミング装置２０によって、例えば成層燃焼を行う低負荷域では吸気弁駆動用カムシャフト２１に吸気弁３，３のバルブタイミングが進角側へ移行する方向にひねりを与え、均質燃焼を行う高負荷域ではこれら吸気弁３，３のバルブタイミングが遅角側へ移行するように吸気弁駆動用カムシャフト２１をイニシャル位置へ復元させることによって、成層燃焼時と均質燃焼時とでそれぞれ吸気弁３，３のバルブタイミングを適切に可変制御して、出力の向上あるいは積極的な内部ＥＧＲによるＮｏx の低減、さらには燃費の改善を図ることができる。
【００４２】
ここで、図７，８に示す実施形態は、前記図１〜４に示した第１実施形態の構造、即ち、排気弁設置側冠面２Ｂのキャビティ燃焼室開口縁部に突縁部８を付設した燃焼室構造における吸気弁３，３に、前述の可変動弁機構２０を採用したもので、ピストン２の吸気弁設置側冠面２Ａの吸気弁３，３に対応した位置には、これら吸気弁３，３との干渉を回避するためのバルブリセス１０をキャビティ燃焼室７に部分的に跨って形成してある。
【００４３】
また、この吸気弁設置側冠面２Ａはピストン冠面の基準面Ｓよりも所要の高さで高く形成してある。  この吸気弁設置側冠面２Ａの基準面Ｓからの増高分は、バルブリセス１０の容積分以上の体積が得られる高さとすることが望ましい。
【００４４】
従って、この実施形態の構造によれば、前記第１実施形態の効果に加えて、成層燃焼を行う低負荷域および均質燃焼を行う高負荷域のそれぞれの運転状態に合わせて、可変動弁機構２０によって吸気弁３，３の弁特性を最適に制御できて、安定した燃焼性と出力の向上とを図ることができる。
【００４５】
また、吸気弁設置側冠面２Ａをピストン冠面の基準面Ｓよりも高く形成してあるから、成層燃焼時にキャビティ燃焼室７内のスワールおよび噴霧燃料が、吸気弁設置側冠面２Ａ上へ逃げ出るのを回避することができて、成層燃焼の安定性をより一層向上することができる。
【００４６】
更に、このように吸気弁設置側冠面２Ａを基準面Ｓよりも高く形成してあるため、バルブリセス１０の形成による燃焼室容積の増大分を埋めて圧縮比を高められて出力の向上を図ることができると共に、燃焼室ルーフ面と吸気弁設置側冠面２Ａとの間のクリアランスが狭められてスキッシュが強化され、燃焼の安定性を向上することができる。
【００４７】
図９に示す参考形態は図５，６に示した第１参考形態の構造、即ち、排気弁設置側冠面２Ｂをピストン冠面の基準面Ｓよりも高く形成した燃焼室構造における吸気弁３，３に、前述の可変動弁機構２０を採用した場合を示し、ピストン２の吸気弁設置側冠面２Ａの吸気弁３，３に対応した位置に、これら吸気弁３，３との干渉を回避するためのバルブリセス１０をキャビティ燃焼室７に部分的に跨って形成すると共に、該吸気弁設置側冠面２Ａをピストン冠面の基準面Ｓよりも前記バルブリセス１０の容積相当以上の体積が得られる高さで高く形成してある。
【００４８】
従って、この参考形態の場合も前記第１参考形態の効果に加えて、可変動弁機構２０により吸気弁３，３の弁特性を成層燃焼時と均質燃焼時とで最適に制御できて燃焼性と出力の向上とを図ることができ、かつ、成層燃焼時にキャビティ燃焼室７内のスワールおよび噴霧燃料が、吸気弁設置側冠面２Ａ上へ逃げ出るのを回避することができて、成層燃焼の安定性をより一層向上することができると共に、圧縮化の増大とスキッシュの強化によって出力の向上と燃焼安定性の向上とを図ることができる。
【００４９】
この参考形態では吸気弁設置側冠面２Ａをピストン冠面の基準面Ｓよりも、バルブリセス１０の容積相当以上の体積が得られる高さで高く形成してあるが、図１０に示す参考形態のように吸気弁設置側冠面２Ａを基準面Ｓのままとして、排気弁設置側冠面２Ｂを図５，６に示した参考形態の冠面高さ位置（図１０の鎖線２Ｂ1 位置）よりもバルブリセス１０の容積相当分もしくはそれ以上の体積が得られる高さで増高形成することによっても、圧縮比を高められて出力の向上を図ることができる。
【００５０】
また、この参考形態の場合はキャビティ燃焼室７の点火プラグ５周りの周壁高さが一段と高められるから、成層燃焼時にキャビティ燃焼室７から排気弁設置側冠面２Ｂ上へのスワールおよび噴霧燃料の逃げをより確実に抑制できると共に、スキッシュを更に強めることができて燃焼の安定性を一段と向上することもできる。
【００５１】
なお、前記実施形態では可変動弁機構２０として吸気弁３，３のバルブタイミングを可変とする可変バルブタイミング装置を例示したが、この他、吸気弁３，３のバルブリフトを可変にする可変バルブリフト装置を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施形態の略示的断面図。
【図２】  本発明の第１実施形態のピストンの平面図。
【図３】  本発明の第１実施形態の要部の拡大断面図。
【図４】  本発明の第１実施形態のピストンの斜視図。
【図５】  本発明の第１参考形態の要部の拡大断面図。
【図６】  本発明の第１参考形態のピストンの斜視図。
【図７】  本発明の第２実施形態のピストンの平面図。
【図８】  本発明の第２実施形態の要部の拡大断面図。
【図９】  本発明の第２参考施形態の要部の拡大断面図。
【図１０】  本発明の第３参考形態の要部の拡大断面図。
【図１１】  吸気弁の可変動弁機構の一例を示す説明図。
【符号の説明】
１  燃焼室
２  ピストン
２Ａ  吸気弁設置側冠面
２Ｂ  排気弁設置側冠面
３  吸気弁
４  排気弁
５  点火プラグ
６  燃料噴射弁
７  キャビティ燃焼室
８  突縁部
１０  吸気弁用のバルブリセス
Ｓ  ピストン冠面の基準面
【図１】
0003826510.tif 000002
【図２】
0003826510.tif 000003
【図３】
0003826510.tif 000004
【図４】
0003826510.tif 000005
【図５】
0003826510.tif 000006
【図６】
0003826510.tif 000007
【図７】
0003826510.tif 000008
【図８】
0003826510.tif 000009
【図９】
0003826510.tif 000010
【図１０】
0003826510.tif 000011
【図１１】
0003826510.tif 000012