JP3695251B2 - 筒内直接噴射式火花点火機関 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タンブルガス流動を用いて圧縮行程噴射により成層燃焼を行う筒内直接噴射式火花点火機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の筒内直接噴射式火花点火機関としては、例えば特開平１０−５４２４７号公報に示されるものがある。
【０００３】
これは、シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ燃焼室と、ピストン冠面の吸気弁側に形成された凹溝（窪み部）と、ペントルーフ燃焼室の略中心に配置された点火プラグと、吸気ポート下方にあって凹溝内に向けて燃料を噴射するようにした燃料噴射弁とを有している。
【０００４】
ここで、燃焼室内には、吸気弁下方のシリンダ内壁面に沿って下降した後、ピストン冠面の凹溝に案内されつつ向きを変え、排気弁下方において上昇して点火プラグ近傍へ向かうタンブルガス流動を発生させている。
【０００５】
従って、圧縮行程にて燃料噴射弁から凹溝内に向けて噴射された燃料が、凹溝の底面により案内されて、タンブルガス流動に乗り、点火プラグ近傍へ向かうことになり、これにより燃料の成層化を可能にし、超希薄空燃比で運転して燃費の向上を図ることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の筒内直接噴射式火花点火機関にあっては、凹溝及びタンブルガス流動により点火プラグ近傍に案内された燃料が排気弁下のシリンダヘッドとピストンとの周縁部間のスキッシュ部において発生したスキッシュ流によって後押しされる結果、燃料が点火栓近傍に長い間とどまらず、通り過ぎてしまうため、燃焼安定領域を得ずらいという問題点があった。
【０００７】
また、燃料噴射は凹溝に向けて行われるために、凹溝に燃料が付着して、エミッションを悪化させる恐れがあるという問題点があった。
本発明は、このような従来の問題点を解決することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明では、シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ燃焼室と、ピストン冠面に形成された窪み部（キャビティ燃焼室）と、ペントルーフ燃焼室の略中心に配置された点火プラグと、吸気ポート下方にあってペントルーフ燃焼室に対し斜め下向きに燃料を噴射するようにした燃料噴射弁とを有し、タンブルガス流動を用いて圧縮行程噴射により成層燃焼を行う筒内直接噴射式火花点火機関において、
燃料噴射弁からの噴霧の一部を直接点火プラグ近傍に指向させ、前記点火プラグ近傍に指向する噴霧のペネトレーションＰ１と噴点から点火プラグまでの距離Ｓとを、Ｐ１＞Ｓの関係とする一方、圧縮行程後期において発生するスキッシュ流の方向を前記点火プラグ近傍に指向する噴霧に略対向する方向に設定したことを特徴とする。
【０００９】
すなわち、燃料噴射弁からの点火プラグ近傍に指向する噴霧に略対向する方向に強いスキッシュ流を発生させることで、噴霧を点火栓近傍に押しとどめて、噴霧が点火プラグ周りに長期間滞留するようにするのである。
【００１０】
請求項２に係る発明では、ピストンの排気側外形部から窪み部の排気側切欠き位置までの長さＬexh を、ピストンの吸気側外形部から窪み部の吸気側切欠き位置までの長さＬint に比べ長くなるように設定し、
ピストン冠面の窪み部以外の凸部に設定された吸気側傾斜面及び排気側傾斜面を、シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ燃焼室を形成する吸気側傾斜面及び排気側傾斜面に各々略平行となるように設定し、
かつ、吸気側、排気側それぞれのピストン側傾斜面とシリンダヘッド側傾斜面との距離Ｂint ，Ｂexh を、略同等となるように設定したことを特徴とする。
【００１１】
すなわち、ピストンの排気側外形部から窪み部の排気側切欠き位置までの長さＬexh を、ピストンの吸気側外形部から窪み部の吸気側切欠き位置までの長さＬint に比べ長くなるように設定することで、吸気側スキッシュエリアからのスキッシュ流に比べ、排気側スキッシュエリアからのスキッシュ流を強くし、この強スキッシュ流を、点火プラグ近傍に指向する噴霧に略対向させるのである。
【００１２】
請求項３に係る発明では、ピストン冠面の窪み部以外の凸部に設定された吸気側傾斜面及び排気側傾斜面を、シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ燃焼室を形成する吸気側傾斜面及び排気側傾斜面に各々略平行となるように設定し、
吸気側のピストン側傾斜面とシリンダヘッド側傾斜面との距離Ｂint を、排気側のピストン側傾斜面とシリンダヘッド側傾斜面との距離Ｂexh に比べ長くなるように設定し、
かつ、ピストンの排気側外形部から窪み部の排気側切欠き位置までの長さＬexh を、ピストンの吸気側外形部から窪み部の吸気側切欠き位置までの長さＬint と略同等になるように設定したことを特徴とする。
【００１３】
すなわち、吸気側のピストン側傾斜面とシリンダヘッド側傾斜面との距離Ｂint を、排気側のピストン側傾斜面とシリンダヘッド側傾斜面との距離Ｂexh に比べ長くなるように設定することで、言い換えれば、排気側での距離Ｂexh の方を短く設定することで、吸気側スキッシュエリアからのスキッシュ流に比べ、排気側スキッシュエリアからのスキッシュ流を強くし、この強スキッシュ流を、点火プラグ近傍に指向する噴霧に略対向させるのである。
【００１４】
請求項４に係る発明では、ピストン冠面の窪み部の排気側の幅Ｃexh を、窪み部の吸気側の幅Ｃint に比べ大きくなるように設定し、
ピストンの排気側外形部から窪み部の排気側切欠き位置までの長さＬexh を、ピストンの吸気側外形部から窪み部の吸気側切欠き位置までの長さＬint と略同等になるように設定し、
ピストン冠面の窪み部以外の凸部に設定された吸気側傾斜面及び排気側傾斜面を、シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ燃焼室を形成する吸気側傾斜面及び排気側傾斜面に各々略平行となるように設定し、
かつ、吸気側、排気側それぞれのピストン側傾斜面とシリンダヘッド側傾斜面との距離Ｂint ，Ｂexh を、略同等となるように設定したことを特徴とする。
【００１５】
すなわち、ピストン冠面の窪み部の排気側の幅Ｃexh を、窪み部の吸気側の幅Ｃint に比べ大きくなるように設定することで、スキッシュ流に寄与する窪み部の長手方向外側の面積（スキッシュエリア）を排気側の方を大きくして、吸気側スキッシュエリアからのスキッシュ流に比べ、排気側スキッシュエリアからのスキッシュ流を強くし、この強スキッシュ流を、点火プラグ近傍に指向する噴霧に略対向させるのである。
【００１６】
請求項５に係る発明では、噴霧上端部と水平面とのなす角度をＡとした時、該角度Ａが排気側スキッシュ面のなす角度（ピストンの排気側傾斜面の角度）Ｐexh より小さくなるように設定したことを特徴とする。
【００１７】
このように設定することで、スキッシュ流により噴霧を上方へ押し上げる作用を得るのである。
【００１８】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、燃料噴射弁からの噴霧の一部を直接点火プラグ近傍に指向させ、前記点火プラグ近傍に指向する噴霧のペネトレーションＰ１と噴点から点火プラグまでの距離Ｓとを、Ｐ１＞Ｓの関係とする一方、圧縮行程後期において発生するスキッシュ流の方向を前記点火プラグ近傍に指向する噴霧に略対向する方向に設定したことで、スキッシュ流により、噴霧を点火プラグ近傍に押しとどめて、噴霧が点火プラグ周りに長期間滞留するようにでき、これにより成層燃焼が安定し、燃費及びエミッションが良好になる。
【００１９】
請求項２に係る発明によれば、ピストンの排気側外形部から窪み部の排気側切欠き位置までの長さＬexh を、ピストンの吸気側外形部から窪み部の吸気側切欠き位置までの長さＬint に比べ長くなるように設定することで、吸気側スキッシュエリアからのスキッシュ流に比べ、排気側スキッシュエリアからのスキッシュ流を強くし、この強スキッシュ流を、点火プラグ近傍に指向する噴霧に略対向させることができ、これにより噴霧を点火栓近傍に押しとどめて、噴霧が点火プラグ周りに長期間滞留するため、成層燃焼が安定し、燃費及びエミッションが良好になる。
【００２０】
請求項３に係る発明によれば、吸気側のピストン側傾斜面とシリンダヘッド側傾斜面との距離Ｂint を、排気側のピストン側傾斜面とシリンダヘッド側傾斜面との距離Ｂexh に比べ長くなるように設定することで、言い換えれば、排気側での距離Ｂexh の方を短く設定することで、吸気側スキッシュエリアからのスキッシュ流に比べ、排気側スキッシュエリアからのスキッシュ流を強くし、この強スキッシュ流を、点火プラグ近傍に指向する噴霧に略対向させることができ、これにより噴霧を点火栓近傍に押しとどめて、噴霧が点火プラグ周りに長期間滞留するため、成層燃焼が安定し、燃費及びエミッションが良好になる。
【００２１】
請求項４に係る発明によれば、ピストン冠面の窪み部の排気側の幅Ｃexh を、窪み部の吸気側の幅Ｃint に比べ大きくなるように設定することで、排気側スキッシュエリアの面積を相対的に大きくして、吸気側スキッシュエリアからのスキッシュ流に比べ、排気側スキッシュエリアからのスキッシュ流を強くし、この強スキッシュ流を、点火プラグ近傍に指向する噴霧に略対向させることができ、これにより噴霧を点火栓近傍に押しとどめて、噴霧が点火プラグ周りに長期間滞留するため、成層燃焼が安定し、燃費及びエミッションが良好になる。
【００２２】
請求項５に係る発明によれば、噴霧上端部と水平面とのなす角度をＡとした時、該角度Ａが排気側スキッシュ面のなす角度Ｐexh より小さくなるように設定したことで、スキッシュ流により噴霧を上方へ押し上げる作用を得ることができ、これによっても噴霧を点火プラグ近傍にとどめて、成層燃焼をより安定させることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
先ず、本発明の第１実施形態について、図１、図２、図３及び図６により説明する。
【００２４】
図１は本発明に係る筒内直接噴射式内燃機関の断面図であり、シリンダヘッド１に凹設されたペントルーフ燃焼室２と、ピストン３の冠面に形成された窪み部（キャビティ燃焼室）４と、ペントルーフ燃焼室２の略中心に配置された点火プラグ５と、吸気ポート６下方にあってペントルーフ燃焼室２に対し斜め下向きに燃料を噴射するようにした燃料噴射弁７と、吸気弁８及び排気弁９を有し、タンブルガス流動を用いて圧縮行程噴射により成層燃焼を行うものである。
【００２５】
尚、シリンダヘッド１側には、これに凹設されたペントルーフ燃焼室２を形成する吸気側傾斜面１３及び排気側傾斜面１４が設定され、ピストン３の冠面の窪み部４以外の凸部にも、吸気側傾斜面１５及び排気側傾斜面１６が設定されている。
【００２６】
また、図中１１は窪み部４の吸気側切欠き位置、１２は窪み部４の排気側切欠き位置、１７はピストン３の吸気側外形部、１８はピストン３の排気側外形部を示している。
【００２７】
ここにおいて、図２に示すように、燃料噴射弁７の取付け角度θ、噴霧上端部角度α１、噴霧下端部角度α２（ここではα１≒α２）の設定により、燃料噴射弁７からの噴霧の一部（上端部）を直接点火プラグ５近傍に指向させるようにしており、点火プラグ５近傍に指向する噴霧のペネトレーション（到達距離）Ｐ１と噴点から点火プラグ５までの距離Ｓとは、Ｐ１＞Ｓの関係とする。排気側からのスキッシュ流により噴霧を点火プラグ５近傍に押しとどめるようにするため、Ｐ１≦Ｓでは噴霧が届かなくなるからである。この関係において、スキッシュエリアの設定を行う。
【００２８】
図３に示すように、ピストン３の排気側外形部１８から窪み部４の排気側切り欠き位置１２までの長さをＬexh 、ピストン３の吸気側外形部１７から窪み部４の吸気側切り欠き位置１１までの長さをＬint とすると、Ｌexh ＞Ｌint 、更には、Ｌexh ／Ｌint ≒β×（Ｐ１／Ｓ）となるようにし、０．８≦β≦１．２となるように設定する。
【００２９】
また、ピストン３の冠面の窪み部４以外の凸部に設定された吸気側傾斜面１５及び排気側傾斜面１６を、シリンダヘッド１に凹設されたペントルーフ燃焼室２を形成する吸気側傾斜面１３及び排気側傾斜面１４に各々略平行となるように設定する。すなわち、ピストン３の吸気側傾斜面１５の角度Ｐint は、ペントルーフ燃焼室２を形成する吸気側傾斜面１３の角度θint と略同等とし（Ｐint ≒θint ）、ピストン３の排気側傾斜面１６の角度Ｐexh は、ペントルーフ燃焼室２を形成する排気側傾斜面１４の角度θexh と略同等とする（Ｐexh ≒θexh ）。
【００３０】
また、ピストン３の上死点位置での、吸気側、排気側それぞれのピストン側傾斜面１５，１６とシリンダヘッド側傾斜面１３，１４との距離Ｂint ，Ｂexh が、略同等となるように設定する（Ｂint ≒Ｂexh ）。
【００３１】
これにより、燃料噴射弁７からの噴霧の一部を直接点火プラグ５近傍に向けて噴射する筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、ピストン３の排気側外形部１８から窪み部４の排気側切欠き位置１２までの長さＬexh を、ピストン３の排気側外形部１７から窪み部４の吸気側切欠き位置までの長さＬint に比べ長くなるように設定することで、吸気側スキッシュエリアからのスキッシュ流２０に比べ、排気側スキッシュエリアからのスキッシュ流２１を強く設定でき、強スキッシュ流側（排気側スキッシュ流２１）から弱スキッシュ流側（吸気側スキッシュ流２０）へのガス流動が発生する。従って、このガス流動が燃料噴射弁７から噴射された噴霧を点火プラグ５近傍に押しとどめる形になり、噴霧が点火プラグ５周りに長期間滞留するため、成層燃焼が安定し、燃費、エミッションが良好になる。
【００３２】
また、図６に示すように、噴霧上端部と水平面とのなす角度をＡとした時、該角度Ａが排気側スキッシュ面のなす角度（ピストン３の排気側傾斜面１６の角度）Ｐexh より小さくなるように設定する（Ｐexh ＞Ａ）。すなわち、Ａ＝θ−α１であるので、Ｐexh ＞θ−α１の関係に設定する。
【００３３】
このように設定することで、排気側スキッシュ流により噴霧が上方に押し上げられ、噴霧が点火プラグ５近傍により近づいた状態でとどまることになり、成層燃焼がより安定する。
【００３４】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図４は本発明の第２実施形態を示している。
第１実施形態と同様に、燃料噴射弁７からの噴霧の一部（上端部）を直接点火プラグ５近傍に指向させるようにしており、点火プラグ５近傍に指向する噴霧のペネトレーションＰ１と噴点から点火プラグ５までの距離Ｓとは、Ｐ１＞Ｓの関係とする。
【００３５】
図４に示すように、ピストン３の冠面の窪み部４以外の凸部に設定された吸気側傾斜面１５及び排気側傾斜面１６を、シリンダヘッド１に凹設されたペントルーフ燃焼室２を形成する吸気側傾斜面１３及び排気側傾斜面１４に各々略平行となるように設定する。すなわち、Ｐint ≒θint 、Ｐexh ≒θexh に設定する。
【００３６】
そして、ピストン３の上死点位置での、吸気側のピストン側傾斜面１５とシリンダヘッド側傾斜面１３との距離をＢint 、排気側のピストン側傾斜面１６とシリンダヘッド側傾斜面１４との距離をＢexh とすると、Ｂint ＞Ｂexh 、更には、Ｂexh ／Ｂint ≒γ×（Ｐ１／Ｓ）となるようにし、０．２５≦γ＜１．０となるように設定する。
【００３７】
また、ピストン３の排気側外形部１８から窪み部４の排気側切り欠き位置１２までの長さをＬexh 、ピストン３の吸気側外形部１７から窪み部４の吸気側切り欠き位置１１までの長さをＬint とすると、これらが略同等となるように、Ｌexh ≒Ｌint に設定する。
【００３８】
これにより、燃料噴射弁７からの噴霧の一部を直接点火プラグ５近傍に向けて噴射する筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、吸気側のピストン側傾斜面１５とシリンダヘッド側傾斜面１３との距離Ｂint を、排気側のピストン側傾斜面１６とシリンダヘッド側傾斜面１４との距離Ｂexh に比べ長くなるように設定することで、言い換えれば、排気側での距離Ｂexh の方を短く設定することで、吸気側スキッシュエリアからのスキッシュ流２０に比べ、排気側スキッシュエリアからのスキッシュ流２１を強く設定でき、強スキッシュ流側（排気側スキッシュ流２１）から弱スキッシュ流側（吸気側スキッシュ流２０）へのガス流動が発生する。従って、第１実施形態と同様に、このガス流動が燃料噴射弁７から噴射された噴霧を点火プラグ５近傍に押しとどめる形になり、噴霧が点火プラグ５周りに長期間滞留するため、成層燃焼が安定し、燃費及びエミッションが良好になる。
【００３９】
本実施形態においても、図６に示すように、Ｐexh ＞Ａ（＝θ−α１）の関係に設定することで、排気側スキッシュ流により噴霧が上方に押し上げられ、噴霧が点火プラグ５近傍により近づいた状態でとどまることになり、成層燃焼がより安定する。
【００４０】
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
図５は本発明の第３実施形態を示している。
第１実施形態と同様に、燃料噴射弁７からの噴霧の一部（上端部）を直接点火プラグ５近傍に指向させるようにしており、点火プラグ５近傍に指向する噴霧のペネトレーションＰ１と噴点から点火プラグ５までの距離Ｓとは、Ｐ１＞Ｓの関係とする。
【００４１】
図５に示すように、ピストン３冠面の窪み部４の排気側の幅をＣexh とし、窪み部４の吸気側の幅をＣint とすると、Ｃexh ＞Ｃint 、更には、Ｃexh ／Ｃint ≒η×（Ｐ１／Ｓ）となるようにし、１．２≦η≦１．６となるように設定する。
【００４２】
また、ピストン３の排気側外形部１８から窪み部４の排気側切り欠き位置１２までの長さをＬexh 、ピストン３の吸気側外形部１７から窪み部４の吸気側切り欠き位置１１までの長さをＬint とすると、これらが略同等となるように、Ｌexh ≒Ｌint に設定する。
【００４３】
また、ピストン３の冠面の窪み部２以外の凸部に設定された吸気側傾斜面１５及び排気側傾斜面１６を、シリンダヘッド１に凹設されたペントルーフ燃焼室２を形成する吸気側傾斜面１３及び排気側傾斜面１４に各々略平行となるように設定する。すなわち、Ｐint ≒θint 、Ｐexh ≒θexh に設定する。
【００４４】
また、ピストン３の上死点位置での、吸気側、排気側それぞれのピストン側傾斜面１５，１６とシリンダヘッド側傾斜面１３，１４との距離Ｂint ，Ｂexh が、略同等となるように設定する（Ｂint ≒Ｂexh ）。
【００４５】
これにより、燃料噴射弁７からの噴霧の一部を直接点火プラグ５近傍に向けて噴射する筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、ピストン３の冠面の窪み部４の排気側の幅Ｃexh を、窪み部４の吸気側の幅Ｃint に比べ大きくなるように設定することで、スキッシュ流に寄与する窪み部４の長手方向外側の面積（スキッシュエリア；図５のハッチング部分）を排気側の方を相対的に大きくして（図５で排気側面積Ａexh ＞吸気側面積Ａint ）、吸気側スキッシュエリアからのスキッシュ流に比べ、排気側スキッシュエリアからのスキッシュ流を強く設定でき、強スキッシュ流側（排気側スキッシュ流）から弱スキッシュ流側（吸気側スキッシュ流）へのガス流動が発生する。従って、第１実施形態と同様に、このガス流動が燃料噴射弁７から噴射された噴霧を点火プラグ５近傍に押しとどめる形になり、噴霧が点火プラグ５周りに長期間滞留するため、成層燃焼が安定し、燃費及びエミッションが良好になる。
【００４６】
本実施形態においても、図６に示すように、Ｐexh ＞Ａ（＝θ−α１）の関係に設定することで、排気側スキッシュ流により噴霧が上方に押し上げられ、噴霧が点火プラグ５近傍により近づいた状態でとどまることになり、成層燃焼がより安定する。
【００４７】
尚、第１〜第３実施形態は、噴霧上端部角度α１、噴霧下端部角度α２がα１≒α２である時の例としたが、α１＞α２となり、かつ、噴霧上端部のペネトレーションをＰ１、噴霧下端部のペネトレーションをＰ２としたときに、Ｐ１＞Ｐ２となる噴霧等の場合にも本発明を適用可能であり、この場合、噴霧がより点火プラグ方向に集中するので、成層度向上、噴霧バラツキ低減により成層燃焼性能が向上し、燃費、エミッションが更に良好となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態を示す内燃機関の断面図
【図２】 噴霧とプラグ位置の関係を示す図
【図３】 本発明の第１実施形態の構成と効果を示す図
【図４】 本発明の第２実施形態の構成と効果を示す図
【図５】 本発明の第３実施形態の構成と効果を示す図
【図６】 噴霧とピストン排気側傾斜面の関係を示す図
【符号の説明】
１ シリンダヘッド
２ ペントルーフ燃焼室
３ ピストン
４ 窪み部（キャビティ燃焼室）
５ 点火プラグ
６ 吸気ポート
７ 燃料噴射弁
８ 吸気弁
９ 排気弁
１１ 吸気側切欠き位置
１２ 排気側切欠き位置
１３ 吸気側傾斜面（シリンダヘッド側）
１４ 排気側傾斜面（シリンダヘッド側）
１５ 吸気側傾斜面（ピストン側）
１６ 排気側傾斜面（ピストン側）
１７ ピストン吸気側外形部
１８ ピストン排気側外形部
２０ 吸気側スキッシュ流
２１ 排気側スキッシュ流
【発明の属する技術分野】
本発明は、タンブルガス流動を用いて圧縮行程噴射により成層燃焼を行う筒内直接噴射式火花点火機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の筒内直接噴射式火花点火機関としては、例えば特開平１０−５４２４７号公報に示されるものがある。
【０００３】
これは、シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ燃焼室と、ピストン冠面の吸気弁側に形成された凹溝（窪み部）と、ペントルーフ燃焼室の略中心に配置された点火プラグと、吸気ポート下方にあって凹溝内に向けて燃料を噴射するようにした燃料噴射弁とを有している。
【０００４】
ここで、燃焼室内には、吸気弁下方のシリンダ内壁面に沿って下降した後、ピストン冠面の凹溝に案内されつつ向きを変え、排気弁下方において上昇して点火プラグ近傍へ向かうタンブルガス流動を発生させている。
【０００５】
従って、圧縮行程にて燃料噴射弁から凹溝内に向けて噴射された燃料が、凹溝の底面により案内されて、タンブルガス流動に乗り、点火プラグ近傍へ向かうことになり、これにより燃料の成層化を可能にし、超希薄空燃比で運転して燃費の向上を図ることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の筒内直接噴射式火花点火機関にあっては、凹溝及びタンブルガス流動により点火プラグ近傍に案内された燃料が排気弁下のシリンダヘッドとピストンとの周縁部間のスキッシュ部において発生したスキッシュ流によって後押しされる結果、燃料が点火栓近傍に長い間とどまらず、通り過ぎてしまうため、燃焼安定領域を得ずらいという問題点があった。
【０００７】
また、燃料噴射は凹溝に向けて行われるために、凹溝に燃料が付着して、エミッションを悪化させる恐れがあるという問題点があった。
本発明は、このような従来の問題点を解決することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明では、シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ燃焼室と、ピストン冠面に形成された窪み部（キャビティ燃焼室）と、ペントルーフ燃焼室の略中心に配置された点火プラグと、吸気ポート下方にあってペントルーフ燃焼室に対し斜め下向きに燃料を噴射するようにした燃料噴射弁とを有し、タンブルガス流動を用いて圧縮行程噴射により成層燃焼を行う筒内直接噴射式火花点火機関において、
燃料噴射弁からの噴霧の一部を直接点火プラグ近傍に指向させ、前記点火プラグ近傍に指向する噴霧のペネトレーションＰ１と噴点から点火プラグまでの距離Ｓとを、Ｐ１＞Ｓの関係とする一方、圧縮行程後期において発生するスキッシュ流の方向を前記点火プラグ近傍に指向する噴霧に略対向する方向に設定したことを特徴とする。
【０００９】
すなわち、燃料噴射弁からの点火プラグ近傍に指向する噴霧に略対向する方向に強いスキッシュ流を発生させることで、噴霧を点火栓近傍に押しとどめて、噴霧が点火プラグ周りに長期間滞留するようにするのである。
【００１０】
請求項２に係る発明では、ピストンの排気側外形部から窪み部の排気側切欠き位置までの長さＬexh を、ピストンの吸気側外形部から窪み部の吸気側切欠き位置までの長さＬint に比べ長くなるように設定し、
ピストン冠面の窪み部以外の凸部に設定された吸気側傾斜面及び排気側傾斜面を、シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ燃焼室を形成する吸気側傾斜面及び排気側傾斜面に各々略平行となるように設定し、
かつ、吸気側、排気側それぞれのピストン側傾斜面とシリンダヘッド側傾斜面との距離Ｂint ，Ｂexh を、略同等となるように設定したことを特徴とする。
【００１１】
すなわち、ピストンの排気側外形部から窪み部の排気側切欠き位置までの長さＬexh を、ピストンの吸気側外形部から窪み部の吸気側切欠き位置までの長さＬint に比べ長くなるように設定することで、吸気側スキッシュエリアからのスキッシュ流に比べ、排気側スキッシュエリアからのスキッシュ流を強くし、この強スキッシュ流を、点火プラグ近傍に指向する噴霧に略対向させるのである。
【００１２】
請求項３に係る発明では、ピストン冠面の窪み部以外の凸部に設定された吸気側傾斜面及び排気側傾斜面を、シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ燃焼室を形成する吸気側傾斜面及び排気側傾斜面に各々略平行となるように設定し、
吸気側のピストン側傾斜面とシリンダヘッド側傾斜面との距離Ｂint を、排気側のピストン側傾斜面とシリンダヘッド側傾斜面との距離Ｂexh に比べ長くなるように設定し、
かつ、ピストンの排気側外形部から窪み部の排気側切欠き位置までの長さＬexh を、ピストンの吸気側外形部から窪み部の吸気側切欠き位置までの長さＬint と略同等になるように設定したことを特徴とする。
【００１３】
すなわち、吸気側のピストン側傾斜面とシリンダヘッド側傾斜面との距離Ｂint を、排気側のピストン側傾斜面とシリンダヘッド側傾斜面との距離Ｂexh に比べ長くなるように設定することで、言い換えれば、排気側での距離Ｂexh の方を短く設定することで、吸気側スキッシュエリアからのスキッシュ流に比べ、排気側スキッシュエリアからのスキッシュ流を強くし、この強スキッシュ流を、点火プラグ近傍に指向する噴霧に略対向させるのである。
【００１４】
請求項４に係る発明では、ピストン冠面の窪み部の排気側の幅Ｃexh を、窪み部の吸気側の幅Ｃint に比べ大きくなるように設定し、
ピストンの排気側外形部から窪み部の排気側切欠き位置までの長さＬexh を、ピストンの吸気側外形部から窪み部の吸気側切欠き位置までの長さＬint と略同等になるように設定し、
ピストン冠面の窪み部以外の凸部に設定された吸気側傾斜面及び排気側傾斜面を、シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ燃焼室を形成する吸気側傾斜面及び排気側傾斜面に各々略平行となるように設定し、
かつ、吸気側、排気側それぞれのピストン側傾斜面とシリンダヘッド側傾斜面との距離Ｂint ，Ｂexh を、略同等となるように設定したことを特徴とする。
【００１５】
すなわち、ピストン冠面の窪み部の排気側の幅Ｃexh を、窪み部の吸気側の幅Ｃint に比べ大きくなるように設定することで、スキッシュ流に寄与する窪み部の長手方向外側の面積（スキッシュエリア）を排気側の方を大きくして、吸気側スキッシュエリアからのスキッシュ流に比べ、排気側スキッシュエリアからのスキッシュ流を強くし、この強スキッシュ流を、点火プラグ近傍に指向する噴霧に略対向させるのである。
【００１６】
請求項５に係る発明では、噴霧上端部と水平面とのなす角度をＡとした時、該角度Ａが排気側スキッシュ面のなす角度（ピストンの排気側傾斜面の角度）Ｐexh より小さくなるように設定したことを特徴とする。
【００１７】
このように設定することで、スキッシュ流により噴霧を上方へ押し上げる作用を得るのである。
【００１８】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、燃料噴射弁からの噴霧の一部を直接点火プラグ近傍に指向させ、前記点火プラグ近傍に指向する噴霧のペネトレーションＰ１と噴点から点火プラグまでの距離Ｓとを、Ｐ１＞Ｓの関係とする一方、圧縮行程後期において発生するスキッシュ流の方向を前記点火プラグ近傍に指向する噴霧に略対向する方向に設定したことで、スキッシュ流により、噴霧を点火プラグ近傍に押しとどめて、噴霧が点火プラグ周りに長期間滞留するようにでき、これにより成層燃焼が安定し、燃費及びエミッションが良好になる。
【００１９】
請求項２に係る発明によれば、ピストンの排気側外形部から窪み部の排気側切欠き位置までの長さＬexh を、ピストンの吸気側外形部から窪み部の吸気側切欠き位置までの長さＬint に比べ長くなるように設定することで、吸気側スキッシュエリアからのスキッシュ流に比べ、排気側スキッシュエリアからのスキッシュ流を強くし、この強スキッシュ流を、点火プラグ近傍に指向する噴霧に略対向させることができ、これにより噴霧を点火栓近傍に押しとどめて、噴霧が点火プラグ周りに長期間滞留するため、成層燃焼が安定し、燃費及びエミッションが良好になる。
【００２０】
請求項３に係る発明によれば、吸気側のピストン側傾斜面とシリンダヘッド側傾斜面との距離Ｂint を、排気側のピストン側傾斜面とシリンダヘッド側傾斜面との距離Ｂexh に比べ長くなるように設定することで、言い換えれば、排気側での距離Ｂexh の方を短く設定することで、吸気側スキッシュエリアからのスキッシュ流に比べ、排気側スキッシュエリアからのスキッシュ流を強くし、この強スキッシュ流を、点火プラグ近傍に指向する噴霧に略対向させることができ、これにより噴霧を点火栓近傍に押しとどめて、噴霧が点火プラグ周りに長期間滞留するため、成層燃焼が安定し、燃費及びエミッションが良好になる。
【００２１】
請求項４に係る発明によれば、ピストン冠面の窪み部の排気側の幅Ｃexh を、窪み部の吸気側の幅Ｃint に比べ大きくなるように設定することで、排気側スキッシュエリアの面積を相対的に大きくして、吸気側スキッシュエリアからのスキッシュ流に比べ、排気側スキッシュエリアからのスキッシュ流を強くし、この強スキッシュ流を、点火プラグ近傍に指向する噴霧に略対向させることができ、これにより噴霧を点火栓近傍に押しとどめて、噴霧が点火プラグ周りに長期間滞留するため、成層燃焼が安定し、燃費及びエミッションが良好になる。
【００２２】
請求項５に係る発明によれば、噴霧上端部と水平面とのなす角度をＡとした時、該角度Ａが排気側スキッシュ面のなす角度Ｐexh より小さくなるように設定したことで、スキッシュ流により噴霧を上方へ押し上げる作用を得ることができ、これによっても噴霧を点火プラグ近傍にとどめて、成層燃焼をより安定させることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
先ず、本発明の第１実施形態について、図１、図２、図３及び図６により説明する。
【００２４】
図１は本発明に係る筒内直接噴射式内燃機関の断面図であり、シリンダヘッド１に凹設されたペントルーフ燃焼室２と、ピストン３の冠面に形成された窪み部（キャビティ燃焼室）４と、ペントルーフ燃焼室２の略中心に配置された点火プラグ５と、吸気ポート６下方にあってペントルーフ燃焼室２に対し斜め下向きに燃料を噴射するようにした燃料噴射弁７と、吸気弁８及び排気弁９を有し、タンブルガス流動を用いて圧縮行程噴射により成層燃焼を行うものである。
【００２５】
尚、シリンダヘッド１側には、これに凹設されたペントルーフ燃焼室２を形成する吸気側傾斜面１３及び排気側傾斜面１４が設定され、ピストン３の冠面の窪み部４以外の凸部にも、吸気側傾斜面１５及び排気側傾斜面１６が設定されている。
【００２６】
また、図中１１は窪み部４の吸気側切欠き位置、１２は窪み部４の排気側切欠き位置、１７はピストン３の吸気側外形部、１８はピストン３の排気側外形部を示している。
【００２７】
ここにおいて、図２に示すように、燃料噴射弁７の取付け角度θ、噴霧上端部角度α１、噴霧下端部角度α２（ここではα１≒α２）の設定により、燃料噴射弁７からの噴霧の一部（上端部）を直接点火プラグ５近傍に指向させるようにしており、点火プラグ５近傍に指向する噴霧のペネトレーション（到達距離）Ｐ１と噴点から点火プラグ５までの距離Ｓとは、Ｐ１＞Ｓの関係とする。排気側からのスキッシュ流により噴霧を点火プラグ５近傍に押しとどめるようにするため、Ｐ１≦Ｓでは噴霧が届かなくなるからである。この関係において、スキッシュエリアの設定を行う。
【００２８】
図３に示すように、ピストン３の排気側外形部１８から窪み部４の排気側切り欠き位置１２までの長さをＬexh 、ピストン３の吸気側外形部１７から窪み部４の吸気側切り欠き位置１１までの長さをＬint とすると、Ｌexh ＞Ｌint 、更には、Ｌexh ／Ｌint ≒β×（Ｐ１／Ｓ）となるようにし、０．８≦β≦１．２となるように設定する。
【００２９】
また、ピストン３の冠面の窪み部４以外の凸部に設定された吸気側傾斜面１５及び排気側傾斜面１６を、シリンダヘッド１に凹設されたペントルーフ燃焼室２を形成する吸気側傾斜面１３及び排気側傾斜面１４に各々略平行となるように設定する。すなわち、ピストン３の吸気側傾斜面１５の角度Ｐint は、ペントルーフ燃焼室２を形成する吸気側傾斜面１３の角度θint と略同等とし（Ｐint ≒θint ）、ピストン３の排気側傾斜面１６の角度Ｐexh は、ペントルーフ燃焼室２を形成する排気側傾斜面１４の角度θexh と略同等とする（Ｐexh ≒θexh ）。
【００３０】
また、ピストン３の上死点位置での、吸気側、排気側それぞれのピストン側傾斜面１５，１６とシリンダヘッド側傾斜面１３，１４との距離Ｂint ，Ｂexh が、略同等となるように設定する（Ｂint ≒Ｂexh ）。
【００３１】
これにより、燃料噴射弁７からの噴霧の一部を直接点火プラグ５近傍に向けて噴射する筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、ピストン３の排気側外形部１８から窪み部４の排気側切欠き位置１２までの長さＬexh を、ピストン３の排気側外形部１７から窪み部４の吸気側切欠き位置までの長さＬint に比べ長くなるように設定することで、吸気側スキッシュエリアからのスキッシュ流２０に比べ、排気側スキッシュエリアからのスキッシュ流２１を強く設定でき、強スキッシュ流側（排気側スキッシュ流２１）から弱スキッシュ流側（吸気側スキッシュ流２０）へのガス流動が発生する。従って、このガス流動が燃料噴射弁７から噴射された噴霧を点火プラグ５近傍に押しとどめる形になり、噴霧が点火プラグ５周りに長期間滞留するため、成層燃焼が安定し、燃費、エミッションが良好になる。
【００３２】
また、図６に示すように、噴霧上端部と水平面とのなす角度をＡとした時、該角度Ａが排気側スキッシュ面のなす角度（ピストン３の排気側傾斜面１６の角度）Ｐexh より小さくなるように設定する（Ｐexh ＞Ａ）。すなわち、Ａ＝θ−α１であるので、Ｐexh ＞θ−α１の関係に設定する。
【００３３】
このように設定することで、排気側スキッシュ流により噴霧が上方に押し上げられ、噴霧が点火プラグ５近傍により近づいた状態でとどまることになり、成層燃焼がより安定する。
【００３４】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図４は本発明の第２実施形態を示している。
第１実施形態と同様に、燃料噴射弁７からの噴霧の一部（上端部）を直接点火プラグ５近傍に指向させるようにしており、点火プラグ５近傍に指向する噴霧のペネトレーションＰ１と噴点から点火プラグ５までの距離Ｓとは、Ｐ１＞Ｓの関係とする。
【００３５】
図４に示すように、ピストン３の冠面の窪み部４以外の凸部に設定された吸気側傾斜面１５及び排気側傾斜面１６を、シリンダヘッド１に凹設されたペントルーフ燃焼室２を形成する吸気側傾斜面１３及び排気側傾斜面１４に各々略平行となるように設定する。すなわち、Ｐint ≒θint 、Ｐexh ≒θexh に設定する。
【００３６】
そして、ピストン３の上死点位置での、吸気側のピストン側傾斜面１５とシリンダヘッド側傾斜面１３との距離をＢint 、排気側のピストン側傾斜面１６とシリンダヘッド側傾斜面１４との距離をＢexh とすると、Ｂint ＞Ｂexh 、更には、Ｂexh ／Ｂint ≒γ×（Ｐ１／Ｓ）となるようにし、０．２５≦γ＜１．０となるように設定する。
【００３７】
また、ピストン３の排気側外形部１８から窪み部４の排気側切り欠き位置１２までの長さをＬexh 、ピストン３の吸気側外形部１７から窪み部４の吸気側切り欠き位置１１までの長さをＬint とすると、これらが略同等となるように、Ｌexh ≒Ｌint に設定する。
【００３８】
これにより、燃料噴射弁７からの噴霧の一部を直接点火プラグ５近傍に向けて噴射する筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、吸気側のピストン側傾斜面１５とシリンダヘッド側傾斜面１３との距離Ｂint を、排気側のピストン側傾斜面１６とシリンダヘッド側傾斜面１４との距離Ｂexh に比べ長くなるように設定することで、言い換えれば、排気側での距離Ｂexh の方を短く設定することで、吸気側スキッシュエリアからのスキッシュ流２０に比べ、排気側スキッシュエリアからのスキッシュ流２１を強く設定でき、強スキッシュ流側（排気側スキッシュ流２１）から弱スキッシュ流側（吸気側スキッシュ流２０）へのガス流動が発生する。従って、第１実施形態と同様に、このガス流動が燃料噴射弁７から噴射された噴霧を点火プラグ５近傍に押しとどめる形になり、噴霧が点火プラグ５周りに長期間滞留するため、成層燃焼が安定し、燃費及びエミッションが良好になる。
【００３９】
本実施形態においても、図６に示すように、Ｐexh ＞Ａ（＝θ−α１）の関係に設定することで、排気側スキッシュ流により噴霧が上方に押し上げられ、噴霧が点火プラグ５近傍により近づいた状態でとどまることになり、成層燃焼がより安定する。
【００４０】
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
図５は本発明の第３実施形態を示している。
第１実施形態と同様に、燃料噴射弁７からの噴霧の一部（上端部）を直接点火プラグ５近傍に指向させるようにしており、点火プラグ５近傍に指向する噴霧のペネトレーションＰ１と噴点から点火プラグ５までの距離Ｓとは、Ｐ１＞Ｓの関係とする。
【００４１】
図５に示すように、ピストン３冠面の窪み部４の排気側の幅をＣexh とし、窪み部４の吸気側の幅をＣint とすると、Ｃexh ＞Ｃint 、更には、Ｃexh ／Ｃint ≒η×（Ｐ１／Ｓ）となるようにし、１．２≦η≦１．６となるように設定する。
【００４２】
また、ピストン３の排気側外形部１８から窪み部４の排気側切り欠き位置１２までの長さをＬexh 、ピストン３の吸気側外形部１７から窪み部４の吸気側切り欠き位置１１までの長さをＬint とすると、これらが略同等となるように、Ｌexh ≒Ｌint に設定する。
【００４３】
また、ピストン３の冠面の窪み部２以外の凸部に設定された吸気側傾斜面１５及び排気側傾斜面１６を、シリンダヘッド１に凹設されたペントルーフ燃焼室２を形成する吸気側傾斜面１３及び排気側傾斜面１４に各々略平行となるように設定する。すなわち、Ｐint ≒θint 、Ｐexh ≒θexh に設定する。
【００４４】
また、ピストン３の上死点位置での、吸気側、排気側それぞれのピストン側傾斜面１５，１６とシリンダヘッド側傾斜面１３，１４との距離Ｂint ，Ｂexh が、略同等となるように設定する（Ｂint ≒Ｂexh ）。
【００４５】
これにより、燃料噴射弁７からの噴霧の一部を直接点火プラグ５近傍に向けて噴射する筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、ピストン３の冠面の窪み部４の排気側の幅Ｃexh を、窪み部４の吸気側の幅Ｃint に比べ大きくなるように設定することで、スキッシュ流に寄与する窪み部４の長手方向外側の面積（スキッシュエリア；図５のハッチング部分）を排気側の方を相対的に大きくして（図５で排気側面積Ａexh ＞吸気側面積Ａint ）、吸気側スキッシュエリアからのスキッシュ流に比べ、排気側スキッシュエリアからのスキッシュ流を強く設定でき、強スキッシュ流側（排気側スキッシュ流）から弱スキッシュ流側（吸気側スキッシュ流）へのガス流動が発生する。従って、第１実施形態と同様に、このガス流動が燃料噴射弁７から噴射された噴霧を点火プラグ５近傍に押しとどめる形になり、噴霧が点火プラグ５周りに長期間滞留するため、成層燃焼が安定し、燃費及びエミッションが良好になる。
【００４６】
本実施形態においても、図６に示すように、Ｐexh ＞Ａ（＝θ−α１）の関係に設定することで、排気側スキッシュ流により噴霧が上方に押し上げられ、噴霧が点火プラグ５近傍により近づいた状態でとどまることになり、成層燃焼がより安定する。
【００４７】
尚、第１〜第３実施形態は、噴霧上端部角度α１、噴霧下端部角度α２がα１≒α２である時の例としたが、α１＞α２となり、かつ、噴霧上端部のペネトレーションをＰ１、噴霧下端部のペネトレーションをＰ２としたときに、Ｐ１＞Ｐ２となる噴霧等の場合にも本発明を適用可能であり、この場合、噴霧がより点火プラグ方向に集中するので、成層度向上、噴霧バラツキ低減により成層燃焼性能が向上し、燃費、エミッションが更に良好となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態を示す内燃機関の断面図
【図２】 噴霧とプラグ位置の関係を示す図
【図３】 本発明の第１実施形態の構成と効果を示す図
【図４】 本発明の第２実施形態の構成と効果を示す図
【図５】 本発明の第３実施形態の構成と効果を示す図
【図６】 噴霧とピストン排気側傾斜面の関係を示す図
【符号の説明】
１ シリンダヘッド
２ ペントルーフ燃焼室
３ ピストン
４ 窪み部（キャビティ燃焼室）
５ 点火プラグ
６ 吸気ポート
７ 燃料噴射弁
８ 吸気弁
９ 排気弁
１１ 吸気側切欠き位置
１２ 排気側切欠き位置
１３ 吸気側傾斜面（シリンダヘッド側）
１４ 排気側傾斜面（シリンダヘッド側）
１５ 吸気側傾斜面（ピストン側）
１６ 排気側傾斜面（ピストン側）
１７ ピストン吸気側外形部
１８ ピストン排気側外形部
２０ 吸気側スキッシュ流
２１ 排気側スキッシュ流
Claims (5)
- シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ燃焼室と、ピストン冠面に形成された窪み部と、ペントルーフ燃焼室の略中心に配置された点火プラグと、吸気ポート下方にあってペントルーフ燃焼室に対し斜め下向きに燃料を噴射するようにした燃料噴射弁とを有し、タンブルガス流動を用いて圧縮行程噴射により成層燃焼を行う筒内直接噴射式火花点火機関において、
燃料噴射弁からの噴霧の一部を直接点火プラグ近傍に指向させ、前記点火プラグ近傍に指向する噴霧のペネトレーションＰ１と噴点から点火プラグまでの距離Ｓとを、Ｐ１＞Ｓの関係とする一方、圧縮行程後期において発生するスキッシュ流の方向を前記点火プラグ近傍に指向する噴霧に略対向する方向に設定したことを特徴とする筒内直接噴射式火花点火機関。 - ピストンの排気側外形部から窪み部の排気側切欠き位置までの長さＬexh を、ピストンの吸気側外形部から窪み部の吸気側切欠き位置までの長さＬint に比べ長くなるように設定し、
ピストン冠面の窪み部以外の凸部に設定された吸気側傾斜面及び排気側傾斜面を、シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ燃焼室を形成する吸気側傾斜面及び排気側傾斜面に各々略平行となるように設定し、
かつ、吸気側、排気側それぞれのピストン側傾斜面とシリンダヘッド側傾斜面との距離Ｂint ，Ｂexh を、略同等となるように設定したことを特徴とする請求項１記載の筒内直接噴射式火花点火機関。 - ピストン冠面の窪み部以外の凸部に設定された吸気側傾斜面及び排気側傾斜面を、シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ燃焼室を形成する吸気側傾斜面及び排気側傾斜面に各々略平行となるように設定し、
吸気側のピストン側傾斜面とシリンダヘッド側傾斜面との距離Ｂint を、排気側のピストン側傾斜面とシリンダヘッド側傾斜面との距離Ｂexh に比べ長くなるように設定し、
かつ、ピストンの排気側外形部から窪み部の排気側切欠き位置までの長さＬexh を、ピストンの吸気側外形部から窪み部の吸気側切欠き位置までの長さＬint と略同等になるように設定したことを特徴とする請求項１記載の筒内直接噴射式火花点火機関。 - ピストン冠面の窪み部の排気側の幅Ｃexh を、窪み部の吸気側の幅Ｃint に比べ大きくなるように設定し、
ピストンの排気側外形部から窪み部の排気側切欠き位置までの長さＬexh を、ピストンの吸気側外形部から窪み部の吸気側切欠き位置までの長さＬint と略同等になるように設定し、
ピストン冠面の窪み部以外の凸部に設定された吸気側傾斜面及び排気側傾斜面を、シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ燃焼室を形成する吸気側傾斜面及び排気側傾斜面に各々略平行となるように設定し、
かつ、吸気側、排気側それぞれのピストン側傾斜面とシリンダヘッド側傾斜面との距離Ｂint ，Ｂexh を、略同等となるように設定したことを特徴とする請求項１記載の直接筒内噴射式火花点火機関。 - 噴霧上端部と水平面とのなす角度をＡとした時、該角度Ａが排気側スキッシュ面のなす角度Ｐexh より小さくなるように設定したことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式火花点火機関。
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