JPH04370319A - 筒内噴射式内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は筒内噴射式内燃機関に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ピストン頂面上に凹溝を形成すると共に
燃料噴射弁から凹溝内に向けて燃料を噴射し、燃焼室内
にシリンダ軸線回りの旋回流を発生させてこの旋回流に
より点火栓の周りに着火可能な混合気を形成するように
した筒内噴射式内燃機関が公知である（実開平１−１２
４０４２号公報参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこの筒内
噴射式内燃機関ではシリンダ軸線周りの旋回流を発生さ
せることが必須の要件であるのでシリンダ軸線回りの旋
回流を発生させない場合にはもはやこの噴射方法を採用
することができない。また、旋回流の強さは機関の運転
状態により変化するので点火栓周りの混合気の形成を全
面的に旋回流に依存しているとあらゆる機関の運転状態
に対して最適な混合気を点火栓の周りに形成するのは困
難であるという問題がある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明によればシリンダヘッド内壁面の中心部に点
火栓を配置し、シリンダヘッド内壁面の周縁部に燃料噴
射弁を配置し、ピストン頂面上に点火栓の下方から燃料
噴射弁側に向けて延びかつほぼ平坦な底壁面を有する凹
溝を形成すると共に燃料噴射弁から凹溝底壁面に向け斜
めに燃料を噴射して噴射燃料を凹溝底壁面に沿いつつ点
火栓下方の凹溝端部に向かわせ、凹溝端部を凹溝底壁面
に対しほぼ直角又は鋭角をなして凹溝底壁面から上方に
ほぼまっすぐに延びる壁面から形成している。

【０００５】

【作用】凹溝端部をほぼ平坦な凹溝底壁面に対しほぼ直
角又は鋭角をなして凹溝底壁面から上方にほぼまっすぐ
に延びる壁面から形成しているので凹溝底壁面に沿って
流れる噴射燃料は凹溝端部に衝突して速度を失うと共に
微粒化せしめられ、斯くして形成された混合気が凹溝端
部に沿い上昇して点火栓周りに混合気を形成する。

【０００６】

【実施例】図１から図４を参照すると、１はシリンダブ
ロック、２はシリンダブロック１内で往復動するピスト
ン、３はシリンダブロック１上に固定されたシリンダヘ
ッド、４はシリンダヘッド３の内壁面３ａとピストン２
の頂面間に形成された燃焼室を夫々示す。シリンダヘッ
ド内壁面３ａ上には凹溝５が形成され、この凹溝５の底
壁面をなすシリンダヘッド内壁面部分３ｂ上に一対の給
気弁６が配置される。一方、凹溝５を除くシリンダヘッ
ド内壁面部分３ｃは傾斜したほぼ平坦をなし、このシリ
ンダヘッド内壁面部分３ｃ上に３個の排気弁７が配置さ
れる。シリンダヘッド内壁面部分３ｂとシリンダヘッド
内壁面部分３ｃは凹溝５の周壁８を介して互いに接続さ
れている。

【０００７】この凹溝周壁８は給気弁６の周縁部に極め
て近接配置されかつ給気弁６の周縁部に沿って円弧状に
延びる一対のマスク壁８ａと、給気弁６間に位置する新
気ガイド壁８ｂと、シリンダヘッド内壁面３ａの周壁と
給気弁６間に位置する一対の新気ガイド壁８ｃとにより
構成される。各マスク壁８ａは最大リフト位置にある給
気弁６よりも下方まで燃焼室４に向けて延びており、従
って排気弁７側に位置する給気弁６周縁部と弁座９間の
開口は給気弁６の開弁期間全体に亙ってマスク壁８ａに
より閉鎖されることになる。また、各新気ガイド壁８ｂ
，８ｃはほぼ同一平面内に位置しており、更にこれらの
新気ガイド壁８ｂ，８ｃは両給気弁６の中心を結ぶ線に
対してほぼ平行に延びている。点火栓１０はシリンダヘ
ッド内壁面３ａの中心に位置するようにシリンダヘッド
内壁面部分３ｃ上に配置されている。一方、排気弁７に
対しては排気弁７と弁座１１間の開口を覆うマスク壁が
設けられておらず、従って排気弁７が開弁すると排気弁
７と弁座１１間に形成される開口はその全体が燃焼室４
内に開口することになる。

【０００８】シリンダヘッド３内には給気弁６に対して
給気ポート１２が形成され、排気弁７に対して排気ポー
ト１３が形成される。一方、両給気弁６の間のシリンダ
ヘッド内壁面３ａの周縁部には燃料噴射弁１４が配置さ
れ、この燃料噴射弁１４から燃料が燃焼室４内に向けて
噴射される。

【０００９】図１から図３に示されるようにピストン２
の頂面上には点火栓１０の下方から燃料噴射弁１４の先
端部の下方まで延びる凹溝１５が形成される。この凹溝
１５は点火栓１０下方の凹溝端部１５ａから燃料噴射弁
１４側に向けて次第に拡開しつつ延びる一対の側壁面１
５ｂと、ほぼ平坦をなす底壁面１５ｃとにより画定され
、図１および図３に示されるように凹溝端部１５ａは凹
溝底壁面１５ｃに対し直角をなして凹溝底壁面１５ｃか
ら上方に延びる壁面から形成される。また、図２からわ
かるように凹溝端部１５ａは点火栓１０と燃料噴射弁１
４とを含む垂直平面Ｋ−Ｋ上に形成されており、各側壁
面１５ｂはこの垂直平面Ｋ−Ｋに関して対称的な形状を
有する。従って凹溝１５は垂直平面Ｋ−Ｋに関して対称
的な形状を有することになる。また、図３に示されるよ
うにピストン２が上死点に達すると点火栓１０に関し凹
溝１５と反対側に位置するピストン２の頂面部分とシリ
ンダヘッド内壁面部分３ｃとの間にはスキッシュエリア
１６が形成される。

【００１０】図５に示されるように図１から図４に示す
実施例では排気弁７が吸気弁６よりも先に開弁し、排気
弁７が吸気弁６よりも先に閉弁する。また、図５におい
てＩｌ　は機関低負荷運転時における燃料噴射時期を示
しており、Ｉｍ１およびＩｍ２は機関中負荷運転時にお
ける燃料噴射時期を示しており、Ｉｈ　は機関高負荷運
転時における燃料噴射時期を示している。図５から機関
高負荷運転時における燃料噴射Ｉｈ　は排気弁７が閉弁
する頃に行われ、機関低負荷運転時における燃料噴射Ｉ
ｌは高負荷運転時に比べてかなり遅い時期に行われるこ
とがわかる。また、機関中負荷運転時には２回に分けて
燃料噴射Ｉｍ１およびＩｍ２が行われ、このとき第１回
目の燃料噴射Ｉｍ１は機関高負荷運転時とほぼ同じ時期
に行われ、第２回目の燃料噴射Ｉｍ２は機関低負荷運転
時とほぼ同じ時期に行われることがわかる。

【００１１】図６に示されるように給気弁６および排気
弁７が開弁すると給気弁６を介して燃焼室４内に空気が
流入する。このとき、排気弁７側の給気弁６の開口はマ
スク壁８ａによって覆われているので空気はマスク壁８
ａと反対側の給気弁６の開口から燃焼室４内に流入する
。この空気は矢印Ｗで示すように給気弁６下方のシリン
ダボア内壁面に沿い下降し、次いでピストン２の頂面に
沿い進んで排気弁７下方のシリンダボア内壁面に沿い上
昇し、斯くして空気は燃焼室４内をループ状に流れるこ
とになる。このループ状に流れる空気Ｗによって燃焼室
４内の既燃ガスが排気弁７を介して排出され、更にこの
ループ状に流れる空気Ｗによって燃焼室４内には垂直面
内で旋回する旋回流Ｘが発生せしめられる。次いでピス
トン２が下死点ＢＤＣを過ぎて上昇を開始するとその後
燃料噴射弁１４からの燃料噴射が開始される。

【００１２】次に図１、図７および図８を参照して機関
低負荷運転時、機関中負荷運転時および機関高負荷運転
時における燃料噴射方法について説明する。なお、図１
および図７は機関低負荷運転時における燃料噴射Ｉｌ　
および機関中負荷運転時における第２回目の燃料噴射Ｉ
ｍ２を示しており、図８は機関中負荷運転時における第
１回目の燃料噴射Ｉｍ１および機関高負荷運転時におけ
る燃料噴射Ｉｈ　を示している。

【００１３】図１、図２および図７に示されるように機
関低負荷運転時および機関中負荷運転時の２回目の燃料
噴射時には燃料は燃料噴射弁１４から垂直平面Ｋ−Ｋに
沿い凹溝底壁面１５ｃに向けて斜めに噴射され、次いで
この噴射燃料は凹溝底壁面１５ｃ上に衝突した後凹溝底
壁面１５ｃ上を凹溝端部１５ａに向けて進行する。即ち
、このとき図１において矢印Ｆで示すように燃料噴射弁
１４から噴射された燃料は一方では凹溝底壁面１５ｃに
沿いつつ凹溝端部１５ａに向けてまっすぐに進行し、他
方では凹溝側壁面１５ｂに沿いつつ凹溝端部１５ａに向
けて進行して凹溝端部１５ａに衝突する。前述したよう
に凹溝端部１５ａは凹溝底壁面１５ｃに対してほぼ直角
をなすので燃料は凹溝端部１５ａの壁面に直角に衝突し
、斯くして燃料は完全に速度を失うことになる。

【００１４】一方、例えば図１において破線で示すよう
に凹溝端部１５ａ′の断面形状を円弧状に形成しておく
と矢印Ｆで示すように凹溝底壁面１５ｃ上を進行する燃
料は凹溝端部１５ａ′により案内されてさほど減速され
ることなく上方に向きを変え、次いで凹溝端部１５ａ′
の上端部から上方に飛び出して点火栓１０に付着してし
まう。このように点火栓１０に燃料が付着すると点火栓
１０上において燃料が炭化し、この炭化した燃料を介し
て点火電流が漏洩するために点火することができなる。 即ち、点火栓１０がくすぶることになる。

【００１５】これに対して図１において実線で示すよう
に凹溝端部１５ａが凹溝底壁面１５ｃに対して直角をな
すと矢印Ｆで示すように凹溝底壁面１５ｃ上を進行する
燃料は上述したように凹溝端部１５ａと衝突したときに
完全に速度を失うことになる。従って燃料が点火栓１０
に付着することがないので点火栓１０がくすぶるのを阻
止することができることになる。また、矢印Ｆで示すよ
うに凹溝底壁面１５ｃ上を進行する燃料は凹溝端部１５
ａに正面衝突するのでこの衝突作用によって燃料が微粒
化せしめられ、微粒化した燃料は図１および図７におい
てＧで示されるように後続の微粒化した燃料によって上
方に押し出され、斯くして点火栓１０の周りには十分に
気化せしめられた容易に着火可能な混合気が形成される
ことになる。従って点火栓１０がくすぶることなく良好
な着火を確保できることになる。

【００１６】また、図６に示されるように燃焼室４内に
発生した旋回流Ｘはピストン２が上昇するにつれて減衰
しつつ旋回半径が次第に小さくなり、ピストン２が上死
点に近づくと図７に示されるように凹溝底壁面１５ｃに
沿う旋回流Ｘとなる。従って、噴射燃料はこの旋回流Ｘ
によっても点火栓１０の下方に向かう力が与えられる。 また、ピストン２が更に上死点に近づくと図７において
矢印Ｓで示すようにスキッシュエリア１６からスキッシ
ュ流が噴出し、このスキッシュ流Ｓも凹溝底壁面１５ｃ
に沿って進む。従って噴射燃料はこのスキッシュ流Ｓに
よっても点火栓１０の下方に向かう力が与えられる。こ
のように噴射燃料は旋回流Ｘおよびスキッシュ流Ｓによ
り増速されるので凹溝端部１５ａに対する噴射燃料の衝
突速度が速められ、斯くして燃料の微粒化が更に促進さ
せることになる。斯くして点火栓１０の周りに集まる混
合気は十分に気化せしめられることになる。

【００１７】また、図２に示されるように凹溝側壁面１
５ｂを凹溝端部１５ａから燃料噴射弁１４側に向けて次
第に拡開させ、各凹溝側壁面１５ｂを凹溝端部１５ａか
らほぼまっすぐに延設することによって点火栓１０の周
りに最適な濃度の混合気を形成することができる。次に
このことについて図９および図１０を参照しつつ説明す
る。図９において鎖線Ｒは凹溝底壁面１５ｃ上における
噴射燃料の衝突領域を示しており、矢印Ｆ１，Ｆ２　は
凹溝側壁面１５ｂに向けて流れる噴射燃料の代表的な２
つの流れを示している。 図９に示されるように噴射燃料Ｆ１，Ｆ２　は凹溝底壁
面１５ｃ上に衝突後も慣性力によって噴射方向に進行し
、次いで凹溝側壁面１５ｂまで進んだ後に凹溝側壁面１
５ｂに沿いつつ凹溝端部１５ａに向けて進行する。とこ
ろで各凹溝側壁面１５ｂは凹溝端部１５ａから燃料噴射
弁１４側に向けてほぼまっすぐに延びているので凹溝側
壁面１５ｂに対する各噴射燃料Ｆ１，Ｆ２　の入射角θ
１，θ２　は噴射中心に近い噴射燃料ほど小さくなり、
従って凹溝側壁面１５ｂに沿って進行を開始しはじめた
ときの各噴射燃料Ｆ１，Ｆ２　の流動速度ｖ１，ｖ２　
は噴射中心に近い噴射燃料ほど速くなる。

【００１８】これに対して図１０に示されるようにピス
トン２′の頂面上に形成された凹溝１５′の輪郭形状を
円形とし、燃料噴射弁１４′から凹溝１５′の平坦な底
壁面１５ｃ′上に燃料を噴射すると凹溝側壁面１５ｂ′
に対する各噴射燃料Ｆ１　′，Ｆ２　′の入射角θ１　
′，θ２　′は噴射中心に近い噴射燃料ほど大きくなり
、従って凹溝側壁面１５ｂ′に沿って進行を開始しはじ
めたときの噴射燃料Ｆ１　′，Ｆ２　′の流動速度ｖ１
　′，ｖ２　′は噴射中心に近い噴射燃料ほど遅くなる
。ところがこのようにｖ１　′＞ｖ２　′なる関係があ
ると各凹溝側壁面１５ｂ′に沿って流れる燃料又は混合
気はほぼ同時期に凹溝端部１５ａ′に集まり、次いでほ
ぼ同時期に凹溝端部１５ａ′に沿って上昇して点火栓１
０の周りに混合気を形成することになる。従ってこの場
合には常にほぼ全噴射燃料によって点火栓１０の周りに
混合気が形成されることになり、従ってこのとき点火栓
１０周りに形成される混合気の濃度は燃料噴射量を制御
する以外の方法によっては制御することができないこと
になる。斯くして例えば燃料噴射量が少ないときに点火
栓１０の周りに最適な混合気を形成しようとすると燃料
噴射量が増大したときには点火栓１０周りに形成される
混合気は過濃となり、斯くして点火栓１０による良好な
着火が得られないばかりでなく、たとえ着火したとして
も多量の未燃ＨＣ，ＣＯが発生することになる。

【００１９】これに対して図９に示されるようにｖ１　
＜ｖ２　なる関係があると噴射燃料Ｆ２　が凹溝端部１
５ａに到達しても噴射燃料Ｆ１　は依然として凹溝端部
１５ａに向けて進行中であり、従って各噴射燃料Ｆ１，
Ｆ２　が凹溝端部１５ａに到達するのに時間差を生ずる
ことになる。このように各噴射燃料Ｆ１，Ｆ２　が凹溝
端部１５ａに到達するのに時間差を生ずると点火栓１０
周りに形成される混合気は時間を経過するにつれて次第
に濃くなることになり、従ってこの場合には燃料噴射量
が一定であっても燃料噴射から点火が行われるまでの時
間を制御することによって点火が行われるときに点火栓
１０周りに形成される混合気の濃度を制御できることに
なる。云い換えると点火が行われるときに点火栓１０周
りに最適な濃度の混合気が形成されるように点火時期又
は噴射時期を制御することによって点火が行われるとき
に点火栓１０周りに常に最適な混合気を形成できること
になる。従って図９に示すような形状の凹溝１５を用い
ると燃料噴射量によらずに点火栓１０による良好な着火
を確保できることになる。

【００２０】一方、機関高負荷運転時および機関中負荷
運転時の第１回目の燃料噴射時には図８に示されるよう
にピストン２が低い位置にあるときに燃料噴射が開始さ
れる。従ってこのときには噴射燃料がピストン２の頂面
の広い領域に亘って衝突するために燃料は燃焼室４内に
良好に分散せしめられる。機関中負荷運転時にはこの第
１回目の燃料噴射Ｉｍ１によって燃焼室４内に稀薄な混
合気が形成され、この稀薄混合気は第２回目の燃料噴射
Ｉｍ２により点火栓１０周りに形成された混合気が着火
源となって燃焼せしめられる。これに対して機関高負荷
運転時には図８に示すように噴射された燃料により燃焼
室４内に形成された混合気が点火栓１０により着火せし
められる。

【００２１】図１１から図１７に第２実施例を示す。こ
の実施例では各給気弁６近傍のシリンダヘッド内壁面３
ａの周縁部に一対の燃料噴射弁、即ち第１燃料噴射弁１
４ａと第２燃料噴射弁１４ｂとが配置され、図１１から
わかるようにこれら燃料噴射弁１４ａ，１４ｂからはシ
リンダ軸線方向に向けて燃料が噴射される。図１４に示
されるようにこの実施例においても機関低負荷運転時、
中負荷運転時および高負荷運転時における燃料噴射時期
は図１から図５に示される実施例と同様であるが、この
実施例では機関低負荷運転時における燃料噴射Ｉｌ　お
よび機関中負荷運転時における第２回目の燃料噴射Ｉｍ
２は図１５に示されるように第１燃料噴射弁１４ａによ
り行われ、機関中負荷運転時における第１回目の燃料噴
射Ｉｍ１は図１６に示されるように第２燃料噴射弁１４
ｂにより行われ、機関高負荷運転時における燃料噴射Ｉ
ｈ１およびＩｈ２は図１７に示されるように第１燃料噴
射弁１４ａおよび第２燃料噴射弁１４ｂ（図１７には図
示していない）の双方により行われる。

【００２２】この実施例では機関低負荷運転時および機
関中負荷運転時の２回目の燃料噴射時には燃料は第１燃
料噴射弁１４ａから凹溝底壁面１５ｃに向けて斜めに噴
射され、この噴射燃料は凹溝底壁面１５ｃ上に衝突した
後凹溝底壁面１５ｃ上を凹溝端部１５ａに向けて進行す
る。この実施例においても凹溝端部１５ａは凹溝底壁面
１５ｃに対しほぼ直角をなして凹溝底壁面１５ｃから上
方に延びる壁面から形成されているので凹溝底壁面１５
ｃに沿って進行する燃料は凹溝端部１５ａと正面衝突し
て完全に速度を失う。 従って前述したように点火栓１０がくすぶるのを阻止し
つつ点火栓１０周りに十分に気化した混合気を集めるこ
とができる。

【００２３】また、この実施例においても各凹溝側壁面
１５ｂは凹溝端部１５ａから燃料噴射弁１４側に向けて
ほぼまっすぐに延びているので図１８に示されるように
凹溝側壁面１５ｂに対する各噴射燃料Ｆ１，Ｆ２　の入
射角θ１，θ２　は噴射中心に近い噴射燃料ほど小さく
なり、従って凹溝側壁面１５ｂに沿って進行を開始しは
じめたときの各噴射燃料Ｆ１，Ｆ２　の流動速度ｖ１，
ｖ２　は噴射中心に近い噴射燃料ほど速くなる。従って
各噴射燃料Ｆ１，Ｆ２　が凹溝端部１５ａに到達するの
に時間差を生ずることになり、斯くして点火が行われる
ときに点火栓１０周りに最適な濃度の混合気を形成でき
ることになる。

【００２４】図１９および図２０は図１の夫々異なる変
形例を示している。図１９に示す変形例では凹溝端部１
５ａがほぼ平坦な凹溝底壁面１５ｃに対し鋭角をなして
凹溝底壁面１５ｃから上方に延びる壁面から形成されて
いる。一方、図２０に示す変形例では凹溝底壁面１５ｃ
が点火栓１０の下方に向けて徐々に下降するほぼ平坦な
傾斜面から形成され、凹溝端部１５ａはほぼ垂直方向に
延びる壁面から形成されている。従って図２０に示す変
形例においても凹溝端部１５ａの壁面は凹溝底壁面１５
ｃに対して鋭角をなしている。このように凹溝端部１５
ａの壁面が凹溝底壁面１５ｃに対して鋭角をなしている
と矢印Ｆで示すように凹溝底壁面１５ｃ上を進行する燃
料が凹溝端部１５ａに衝突したときに燃料にはわずかで
はあるが下向きの速度が与えられる。云い換えると燃料
には全く上向きの速度が与えられない。斯くして燃料が
点火栓１０に付着するのを一層阻止できることになり、
点火栓１０がくすぶるのを一層阻止することができるこ
とになる。なお、この場合でも衝突作用によって微粒化
せしめられた燃料が後続の微粒化した燃料によって押し
上げられるために点火栓１０の周りには十分に気化した
混合気Ｇが形成される。

【００２５】なお、これまで本発明を筒内噴射式２サイ
クル機関に適用した場合について説明してきたが本発明
を筒内噴射式４サイクル機関にも適用することができる
。

【００２６】

【発明の効果】ピストン頂面上に形成された凹溝内に燃
料を噴射するようにした場合において点火栓がくすぶる
のを阻止しつつ点火栓周りに十分に気化した混合気を集
めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】２サイクル機関の拡大側面断面図である。

【図２】ピストン頂面の平面図である。

【図３】２サイクル機関の側面断面図である。

【図４】シリンダヘッドの底面図である。

【図５】給排気弁の開弁期間と燃料噴射時期を示す線図
である。

【図６】掃気行程時を示す２サイクル機関の側面断面図
である。

【図７】低負荷運転時の燃料噴射および中負荷運転時の
第２回目の燃料噴射を示す２サイクル機関の側面断面図
である。

【図８】中負荷運転時の第１回目の燃料噴射および高負
荷運転時の燃料噴射を示す２サイクル機関の側面断面図
である。

【図９】図２と同様のピストン頂面の平面図である。

【図１０】好ましくない例を示すピストン頂面の平面図
である。

【図１１】別の実施例を示すピストン頂面の平面図であ
る。

【図１２】２サイクル機関の側面断面図である。

【図１３】シリンダヘッドの底面図である。

【図１４】給排気弁の開弁期間と燃料噴射時期を示す線
図である。

【図１５】低負荷運転時の燃料噴射および中負荷運転時
の第２回目の燃料噴射を示す２サイクル機関の側面断面
図である。

【図１６】中負荷運転時の第１回目の燃料噴射を示す２
サイクル機関の側面断面図である。

【図１７】高負荷運転時の燃料噴射を示す２サイクル機
関の側面断面図である。

【図１８】図１１と同様のピストン頂面の平面図である
。

【図１９】図１の変形例を示す２サイクル機関の拡大側
面断面図である。

【図２０】図１の更に別の変形例を示す２サイクル機関
の拡大側面断面図である。

【符号の説明】

２…ピストン １０…点火栓 １４…燃料噴射弁 １５…凹溝 １５ａ…凹溝端部 １５ｂ…凹溝側壁面 １５ｃ…凹溝底壁面

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　シリンダヘッド内壁面の中心部に点火
   栓を配置し、シリンダヘッド内壁面の周縁部に燃料噴射
   弁を配置し、ピストン頂面上に点火栓の下方から燃料噴
   射弁側に向けて延びかつほぼ平坦な底壁面を有する凹溝
   を形成すると共に該燃料噴射弁から該凹溝底壁面に向け
   斜めに燃料を噴射して噴射燃料を凹溝底壁面に沿いつつ
   点火栓下方の凹溝端部に向かわせ、該凹溝端部を凹溝底
   壁面に対しほぼ直角又は鋭角をなして凹溝底壁面から上
   方にほぼまっすぐに延びる壁面から形成した筒内噴射式
   内燃機関。