(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料噴射弁から直接燃焼室内に燃料を噴射し、ピストンの頂面部に凹状のキャビティを有し、火花点火で筒内の混合気に着火する筒内直噴エンジンにおいて、
前記頂面部の前記凹状のキャビティ内において、燃料溜溝を、点火プラグ直下及びその近傍を避けた位置に形成し、前記凹状のキャビティ内の複数の箇所に前記燃料溜溝を形成し、これらの燃料溜溝に連通して、燃料を前記点火プラグ直下及びその近傍以外の位置に誘導する誘導溝を設けたことを特徴とする筒内直噴エンジン。
【請求項２】
燃料噴射弁から直接燃焼室内に燃料を噴射し、火花点火で筒内の混合気に着火する筒内直噴エンジンにおいて、
ピストンのトップリング部材にバイメタルリングもしくは熱膨張率の大なる材料から成るリングを使用し、かつ、前記トップリングとセカンドリング間に燃料蓄積溝をなす側壁溝を設けたことを特徴とする筒内直噴エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内直噴エンジンにおける低温時の着火性向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の燃料噴射の方式には、吸気管に燃料噴射を行うポート噴射式や、燃料を燃焼室内に直接噴射する筒内直噴式がある。混合気に点火プラグで着火するガソリンエンジンにおいては従来ポート噴射式が広く用いられてきたが、最近、筒内直噴式が実用化されてきた。
【０００３】
ところで、ポート噴射式のエンジン（ポート噴射エンジン）では、−３０°Ｃを下回るような極低温始動時においても、次の様な理由から、始動不良を起こしにくい。
先ず、噴射燃料のうち、微粒化の悪い燃料は、吸気ポート内に液滴燃料として残留する。このため、微粒化の悪い大量の液滴燃料が燃焼室内に入り、点火プラグを直撃する可能性が低くプラグかぶりをひき起こしにくい。
【０００４】
また、着火性の良い燃料が、吸気ポートから選択的に燃焼室内へ吸入される。
それに対し、近年実用化された筒内直噴式のエンジン（直噴エンジン）では以下の理由から、特に極低温での始動性が極端に低下する恐れがある。
この理由として、ピストンキャビティ内に噴射された燃料は、液状燃料として残留し、クランキングによるピストンの往復運動によって、点火プラグ方向へ跳ね上げられ、点火プラグを直撃することでプラグかぶりを引き起こす恐れがあること、
およびポート噴射式のように着火性の良い燃料が選択的に燃焼室内へ導入されることはないことが考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記のような状況を鑑みてなされたもので、筒内直噴エンジンの極低温始動時の始動性を向上させることを目的とする。さらに本発明は極低温時の燃料挙動を考慮し、ピストン形状を決定することにより、始動性向上を図ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するため、請求項１及び請求項２に記載の技術的手段を採用する。
請求項１に記載の発明によれば、ピストンの頂面部に凹状のキャビティ内において、点火プラグ直下及びその近傍を避けた位置に燃料溜溝を形成したので、エンジン始動時のクランキングによる残留燃料のプラグ方向への跳ね上げ分を分散して、プラグかぶりを抑制し、また、跳ね上げ燃料の分散によりエンジン筒内での燃料と吸気とのミキシングが促進され着火性も向上するため、エンジンの始動性を高めることができる。
【０００７】
また、請求項１に記載の発明によれば、ピストン頂面部の凹状のキャビティ内の複数の箇所に燃料溜溝を形成し、これらの燃料溜溝に連通して、燃料を点火プラグ直下及びその近傍以外の位置に誘導する誘導溝を設けたので、ピストンの往復運動を利用してキャビティ内の残留燃料を点火プラグ直下及びその近傍以外の位置に誘導することにより、燃料の跳ね上げを分散して、プラグのかぶりを抑制し、また、跳ね上げ燃料の分散によりエンジン筒内での燃料と吸気とのミキシングが促進され着火性も向上するため、始動性を高めることができる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明によれば、ピストンのトップリング部材にバイメタルリングもしくは熱膨張率の大なる材料から成るリングを使用し、かつ、トップリングとセカンドリング間に燃料蓄積溝をなす側壁溝を設けた。これにより、極低温時にはバイメタルリングもしくは熱膨張率の大なる材料から成るリングが収縮しており、前記トップリングとセカンドリングとの間の側壁溝は露出状態となる。通常、シリンダライナに付着した燃料はクランキングによるピストンの往復運動によって、ロールアップ燃料としてエンジン外へ排気される。しかし、前記構造によればシリンダライナ付着燃料は前記側壁溝に捕捉されるため、機関外へ排出されにくく、またクランキング時のピストンとシリンダとの間の摩擦熱を吸収することで燃料の気化が促進されるため、着火性向上に有効となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１ないし図３は本発明の第１実施形態に関するものであり、図１は第１実施形態にかかるエンジン全体の全体構成図である。また、図２は本発明に用いるピストンを示す図で、（Ａ）はピストンの頂面を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）中における断面Ｄ−Ｄを示す断面図である。図３は点火プラグの中心軸方向である傾斜下方と垂直下方における点火プラグとピストンとの位置関係を示す側面図である。
【００１０】
図１において、エンジン１には吸気管２と排気管３とが接続されている。吸気管２には、アクセルペダル４に連動するスロットル弁５が設けられ、スロットル弁５の開度は、スロットル開度センサ６により検出されるようになっている。また、吸気管２のサージタンク７には、吸気圧センサ８が配設されている。
エンジン１の気筒を構成するシリンダ９内には図１の上下方向に往復動するピストン１０が配設されており、ピストン１０はコンロッド１１を介して図示しないクランク軸に連結されている。ピストン１０の上方にはシリンダ９及びシリンダヘッド１２にて区画された燃焼室１３が形成されており、燃焼室１３は、吸気弁１４及び排気弁１５を介して吸気管２及び排気管３に連通している。排気管３には排気ガス中の酸素濃度に応じて異なる電圧信号を出力する空燃比センサ１６が設けられている。また、シリンダ９（ウォータジャケット）には冷却水温を検出する水温センサ２３が配置されている。
【００１１】
エンジン１のシリンダ９には電磁駆動式の燃料噴射弁１８が設けられており、この燃料噴射弁１８には高圧燃料ポンプ２４を介して燃料タンク１９から燃料（ガソリン）が供給される。
また、ディストリビュータ２０にはクランク軸の回転状態に応じて７２０°ＣＡ毎にパルス信号を出力するクランク角センサ２１と、より細かなクランク角毎（例えば、３０°ＣＡ毎あるいは１５°ＣＡ毎等）にパルス信号を出力する回転角センサ２２が設けられている。
【００１２】
一方、ＥＣＵ３０は例えばマイクロコンピュータシステムを中心に構成され、Ａ／Ｄコンバータ３１、入出力インターフェース３２、ＣＰＵ３３、ＲＯＭ３４、ＲＡＭ３５、バックアップＲＡＭ３６、クロック発生回路３７等を備える。前記吸気圧センサ８の検出信号、空燃比センサ１６の検出信号及び水温センサ２３の検出信号は、Ａ／Ｄコンバータ３１に入力され、Ａ／Ｄ変換された後にバス３８を介してＣＰＵ３３に入力される。また、前記スロットル開度センサ６の検出信号、クランク角センサ２１のパルス信号、及び回転角センサ２２のパルス信号は、入出力インターフェース３２及びバス３８を介してＣＰＵ３３に入力される。ＣＰＵ３３は、各検出信号に基づいて吸気圧（ＰＭ）、空燃比（Ａ／Ｆ）、冷却水温（ＴW ）、スロットル開度、基準クランク位置及び機関回転数（Ｎｅ）を検知する。
【００１３】
さらに、ＥＣＵ３０には前記燃料噴射弁１８の駆動を制御するためのダウンカウンタ３９、フリップフロップ４０及び燃料噴射弁駆動回路４１が設けられている。すなわち、燃料噴射量制御ルーチンで燃料噴射量が演算されると、その演算結果がダウンカウンタ３９に設定され、同時にフリップフロップ４０もセット状態とされる。この結果、燃料噴射弁駆動回路４１により燃料噴射弁１８が通電され燃料噴射が開始される。また、ダウンカウンタ３９がクロックパルス（図示せず）の計数を開始し、ダウンカウンタ３９の値が「０」になるとフリップフロップ４０がリセットされる。そして、燃料噴射弁駆動回路４１により燃料噴射弁１８への通電が遮断されると、燃料噴射が停止される。すなわち、ＥＣＵ３０で演算された期間だけ燃料噴射弁１８が通電され、演算結果に応じた燃料がエンジン１の各気筒に供給される。
【００１４】
本発明は、前記のように構成される筒内直接噴射式エンジン（直噴エンジン）に関し、特に、−３０°Ｃ以下の極低温始動時における燃料挙動を考慮し、筒内直噴エンジンのピストン１０の形状を決定するものである。
図２に示すようにピストン１０はピストン頂面部に直噴エンジン特有の凹状キャビティ１０１を有し、ピストン１０の凹状キャビティ１０１内には、点火プラグ１００の直下及びその近傍を避けた位置に燃料溜溝１０２が複数箇所、この場合３箇所形成してある。これにより凹状キャビティ１０１内において低温時に生ずる液状燃料をこれらの燃料溜溝１０２に集めるように作用する。
【００１５】
さらに、図３に示す如く、車両へエンジンを傾斜させて搭載した場合、ピストン１０は傾斜した状態で往復運動するが、その場合にも図３中右手方向に位置する燃料溜溝１０２が凹状キャビティ１０１内の最深部となり、また、点火プラグ１００の直下及びその近傍を避けた位置となり、凹状キャビティ１０１内に生ずる液状燃料を確実に燃料溜溝１０２に集めることができる。
【００１６】
次に、本発明によるピストン使用時の効果を述べる。
−３０°Ｃを下回る極低温において、噴射燃料はその大半が液滴状態のままピストン頂面に付着残留する。この時、付着燃料はキャビティ内に設けられた燃料溜溝１０２に溜まる。本発明ではピストンキャビティ１０１内の燃料溜溝１０２を点火プラグの直下及びその近傍を避けて配置してあるため、始動時のクランキングによりキャビティ１０１内の溜まり燃料がエンジンヘッド方向へ跳ね上げられたとしても、点火プラグを直撃することを防いでいるため、プラグかぶりを引き起こすことを低減できる。
【００１７】
さらに、燃料溜溝１０２が複数箇所、望ましくは点火プラグ１００の直下を中心として偏りなく分散した位置に形成してあることにより、付着燃料である溜まり燃料が複数箇所に分散され、いずれかの燃料溜溝１０２に確実に集められる。このため、エンジンヘッド方向の跳ね上げられた燃料は分散されることになり、吸気とのミキシングが促進される。従って極低温においても良好な始動性が得られる。
【００１８】
図４は本発明の第２実施形態でありピストンの頂面を示す平面図である。
図４において、第２実施形態のピストン１０には、第１実施形態と同じく凹状の凹状キャビティ１０１内に燃料溜溝１０２が複数箇所形成してあり、第２実施形態の特徴は、前記燃料溜溝１０２への誘導溝１０３が設けてある点にある。
このため、より効果的に付着燃料５０をキャビティ１０１内の最深部にある燃料溜溝１０２へと誘導できる。従って、第１実施形態と同等以上の効果を得ることができる。
【００１９】
図５は本発明の第３実施形態のピストン１０を示す図であり、（Ａ）はピストン１０の頂面を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）中の断面Ｅ−Ｅを示す断面図である。
前記第１及び第２実施形態においては、ピストン１０の頂面部にある凹状のキャビティ１０１内の複数箇所に燃料溜溝１０２を形成したが、図５に示すようにキャビティ１０１内に凸部１４０を設けることにより、燃料溜溝１０２Ａを複数箇所に分散形成せずに連続したものとしてもよい。
【００２０】
図６は別の構成により、始動性向上を達成するという本発明の課題と同一の課題を達成する、本発明の第４実施形態のピストンの側面図である。
本第４実施形態の特徴としては、ピストン１０の頂面部に凹状キャビティは設けず（あるいは前述の各実施形態に追加する構成としてもよい）、ピストン１０のトップリングにバイメタル製のリング１１０を用いたこと、およびトップリングとセカンドリングとの間に燃料蓄積溝を構成する側壁溝１２０を設けたことにある。
【００２１】
次に本第４実施形態の作用を示す。
極低温時において、バイメタル製のトップリングを構成するバイメタルリング１１０は収縮状態にあり、ピストン１０のトップリングとセカンドリングとの間に設けられた側壁溝１２０が露出状態になる。通常、燃料噴射弁から噴射された燃料のうち、シリンダライナへの付着燃料はクランキングによるピストン１０の往復運動によって、ロールアップ燃料としてエンジン１外へ排出される。
【００２２】
本第４実施形態では、シリンダライナへの付着燃料は、前記の側壁溝１２０にて捕捉され、エンジン１外へ排出されにくくなる。そして、側壁溝１２０に捕捉された燃料は、クランキングによるピストンとシリンダとの間の摩擦熱を吸収することにより、気化が促進される。
気化燃料は、液状燃料に対して着火性が非常に良いため、エンジン始動時の着火性向上に有効に働く。
【００２３】
更に、前記のように本来は無駄に排出されていた燃料を有効に活用できるようになるため、始動時の燃料噴射量が少なくてすむようになる。
また、エンジン１の始動後においては、前記トップリングをなすバイメタルリング１１０は、エンジン１内の温度上昇によって膨張し、通常状態に復帰するため、エンジン性能を損ねることが無い。
【００２４】
また、前記以外の効果として、バイメタル製のトップリングを構成するバイメタルリング１１０が収縮状態にあることから始動時のフリクション低減効果も得られる。
なお、第４実施形態においてはバイメタル製のトップリングであるバイメタルリング１１０を用いたが、他の実施形態としてかわりに熱膨張率の大なる材料で作られたトップリングを用いても同様な効果が得られる。
【００２５】
以上に説明したように、筒内直噴エンジンの極低温始動時には始動性が極端に低下する可能性があったが、本発明によりエンジン本体の大きな変更無しに、始動性の向上、点火プラグの燃料かぶりの抑制、始動時噴射燃料量の低減、始動時の未燃燃料の排出量低減、トップリングの収縮による始動時のフリクション低減等の優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるエンジン全体の全体構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態にかかるピストンの図であり、（Ａ）はピストンの頂面を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）中における断面Ｄ−Ｄを示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態にかかるエンジンにおける点火プラグの中心軸方向である傾斜下方と垂直下方における点火プラグとピストンとの位置関係を示す側面図である。
【図４】本発明の第２実施形態でありピストンの頂面を示す平面図である。
【図５】本発明の第３実施形態のピストンを示す図であり、（Ａ）はピストンの頂面を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）中の断面Ｅ−Ｅを示す断面図である。
【図６】別の構成により、始動性向上を達成するという本発明の課題と同一の課題を達成する、本発明の第４実施形態のピストンの側面図である。
【符号の説明】
１０  ピストン
１３  燃焼室
１８  燃料噴射弁
１００  点火プラグ
１０１  キャビティ
１０２  燃料溜溝
１０３  誘導溝
１１０  バイメタルリング
１２０  側壁溝
【図１】
0003784173.tif 000002
【図２】
0003784173.tif 000003
【図３】
0003784173.tif 000004
【図４】
0003784173.tif 000005
【図５】
0003784173.tif 000006
【図６】
0003784173.tif 000007