JPH07102976A - 筒内噴射式火花点火機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、筒内噴射式火花点火機関に関し、
吸気行程中に噴射されピストン頂面に付着する燃料をス
ワールを利用して確実に霧化させ、意図する均一混合気
を形成可能とすることを目的とする。 【構成】 特定機関運転状態において、点火栓１近傍に
濃厚な混合気を形成するための圧縮行程燃料噴射及びこ
の濃厚な混合気の回りに均一混合気を形成するための吸
気行程燃料噴射を担当し、燃焼室上側の周縁部に位置す
る燃料噴射弁１１と、この特定機関運転状態においてス
ワールを生成するスワール生成手段と、点火栓１の下方
から燃料噴射弁１１側に向けて延在し、ほぼ平坦な底面
１０１ｄを有し、点火栓１側の端面１０１ａが上方向に
延在する凹状溝が形成された頂面を有するピストン１２
とを具備し、ピストン頂面の外周部近傍には、スワール
の旋回方向に徐々に下がりながら凹状溝に達する傾斜面
１０２が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、直接気筒内へ燃料を噴
射し、それにより形成される混合気を点火栓によって着
火燃焼させる筒内噴射式火花点火機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】この筒内噴射式火花点火機関を使用し
て、低中負荷時は点火栓近傍にのみ濃厚な混合気を形成
する低燃費の成層燃焼を実行させ、高負荷時には高出力
を得ることが可能な均一燃焼を実行させることが公知で
ある。特開平２−１２５９１１号広報には、このような
筒内噴射式火花点火機関と燃焼室内を軸線回りに旋回す
るスワールを生成可能な吸気通路を組み合わせて、特に
低中負荷時にこのスワールを利用した良好な成層燃焼を
実現させることを意図するものが記載されている。

【０００３】前述の筒内噴射式火花点火機関は、その頂
面に凹部が形成されたピストンを有し、成層燃焼実行時
において、圧縮行程後半に燃料をこの凹部に向けて噴射
し、この凹部を利用して気筒中心部に位置する点火栓近
傍に霧化された燃料を立ち上げて濃厚な混合気を形成さ
せるものである。前述のスワールは、燃焼速度を早めて
燃焼を良好なものとすることができると共に、主に燃焼
室外周部を旋回するために、このように形成された濃厚
な混合気を飛散させることなく点火栓近傍に滞留させる
ことができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】機関中負荷時の成層燃
焼は、低負荷時に比較して高い出力が必要であるために
燃料噴射量が増加する。このように増加された燃料を全
て圧縮行程後半に噴射すると、点火栓近傍に形成される
混合気が非常に濃厚になり、逆に失火する可能性がある
ために、前述の従来技術において増加分の燃料は吸気行
程中に噴射され、点火栓近傍の周囲に均一混合気を形成
させることが意図されている。

【０００５】しかし、吸気行程中における燃料噴射は、
ピストンが下降中であり、圧縮行程に比較して燃料のピ
ストンへの衝突速度がかなり小さくなるために、凹部に
噴射された燃料は圧縮行程にように霧化されて立ち上が
ることはなく、凹部に付着したままとなり、意図する均
一混合気を形成することはできないだけでなく、スモー
ク発生の原因となる。

【０００６】従って、本発明の第一の目的は、吸気行程
に噴射されてピストンに付着する燃料をスワールを利用
して確実に霧化させ、意図する均一混合気を形成するこ
とができる筒内噴射式火花点火機関を提供することであ
る。

【０００７】また、本発明の第二の目的は、第一の目的
に加えて、霧化された燃料をスワールを利用してさらに
良好な均一混合気を形成することができる筒内噴射式火
花点火機関を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による第一の筒内
噴射式火花点火機関は、燃焼室上側の略中心に位置する
点火栓と、少なくとも特定機関運転状態において、前記
点火栓近傍に濃厚な混合気を形成するための圧縮行程燃
料噴射及び前記濃厚な混合気の回りに均一混合気を形成
するための吸気行程燃料噴射を担当し、燃焼室上側の周
縁部に位置する燃料噴射弁と、少なくとも前記特定機関
運転状態において燃焼室内にその軸線回りに旋回するス
ワールを生成するスワール生成手段と、前記点火栓の下
方から前記燃料噴射弁側に向けて延在し、ほぼ平坦な底
面を有し、前記点火栓側の端面が上方向に延在する凹状
溝が形成された頂面を有するピストン、とを具備し、前
記凹状溝の底面に前記燃料噴射弁から噴射された燃料が
斜め上方向から衝突するようになっており、前記ピスト
ンの頂面の外周部近傍には、前記スワールの旋回方向に
徐々に下がりながら前記凹状溝に達する傾斜面が設けら
れていることを特徴とする。

【０００９】また、本発明による第二の筒内噴射式火花
点火機関は、前述の第一の筒内噴射式火花点火機関にお
いて、前記凹状溝の点火栓側の端面は、燃焼室中心から
偏心して上方向に延在していることを特徴とする。

【００１０】

【作用】前述の第一の筒内噴射式火花点火機関によれ
ば、特定機関運転状態において、吸気行程中に凹状溝の
底面に噴射され、そこに付着する燃料は、ピストンの頂
面に接して旋回するスワールの一部が凹状溝に流入する
ために良好に霧化され、このスワールと共に凹状溝の点
火栓側の端面に沿って立ち上げられる。

【００１１】また、前述の第二の筒内噴射式火花点火機
関によれば、第一の筒内噴射式火花点火機関と同様に、
凹状溝に付着する燃料はスワールの一部によって霧化さ
れて凹状溝の端面に沿って立ち上げられ、さらにこの位
置が燃焼室中心から偏心しているために、直ぐに燃焼室
外周部を旋回するスワールに取り込まれて均一化され
る。

【００１２】

【実施例】図１は、本発明による筒内噴射式火花点火機
関の概略平面図である。同図に示すように、燃焼室上側
の略中心には点火プラグ１が配置されている。燃焼室に
は、互いに隣接する第１及び第２吸気通路２，３と第１
及び第２排気通路４，５とが第１及び第２吸気弁６，７
と第１及び第２排気弁８，９とを介して接続されてい
る。

【００１３】第１吸気通路２は燃焼室内にその軸線回り
に矢印で示す方向に旋回するスワールを生成可能なヘリ
カルポートであり、一方第２吸気通路３はストレートポ
ートであり、スワールコントロールバルブ（以下ＳＣＶ
で表す）１０が配置されている。このＳＣＶ１０は、一
般的に、機関負荷の増加に伴いその開度が大きくなるよ
うに開度制御されるものである。それにより、必要吸気
量を確実に燃焼室へ供給することができ、また機関中負
荷時までは主にヘリカルポート２は使用されるために燃
焼室内にスワールを形成することができる。燃料噴射弁
１１は、第１及び第２吸気弁６，７の間から燃焼室内に
燃料を噴射するように配置されている。

【００１４】図２及び図３は、図１の筒内噴射式火花点
火機関の概略縦断面図である。前述した吸気通路及び排
気通路は図を見やすくするために省略されている。図２
はピストン１２が吸気行程前半にある状態を示し、図３
はピストン１２が圧縮行程後半にある状態を示してい
る。燃料噴射弁１１はピストン１２頂面に向けて円錐状
に燃料を噴射するものであり、噴射された燃料は一点鎖
線で図示されている。

【００１５】図４はピストン１２の形状を示す図であ
り、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はそのＰ−Ｐ断面図であ
る。図示されているように、中心部が隆起するピストン
１２の頂面には、点火プラグ１の真下から燃料噴射弁１
１側に扇形に広がる溝１０１が形成されている。点火プ
ラグ１は、燃焼室の略中心に位置するが、詳細には燃料
噴射弁１１の反対側に多少偏心して設置されており、そ
れに伴い溝１０１の点火プラグ側端部も同様に燃焼室中
心に対して偏心している。溝１０１の点火プラグ側端部
を構成する円弧状端面１０１ａとその近傍の第１側壁１
０１ｂ及び第２側壁１０１ｃは、ほぼ平坦に形成された
底面１０１ｄと所定半径の円弧をもって滑らかに接続さ
れ、それらの底面１０１ｄ側に点線で示すような凹部１
０１ｅが形成されているが略垂直に延在している。

【００１６】またピストン１２の頂面外周部には、スワ
ールの旋回方向に徐々に下がりながら溝１０１のスワー
ル上流側の第１側壁１０１ｂに達し、溝１０１の底面１
０１ｄに滑らかに接続される傾斜面１０２が形成されて
いる。

【００１７】このように構成された筒内噴射式火花点火
機関は、図５に示すマップを基に燃料噴射開始時期が決
定され、負荷に応じた必要燃料量が燃焼室内に供給され
た時に燃料噴射が終了される。図５における低負荷領域
Ａでは、燃料噴射開始時期が圧縮行程後半に設定され、
高負荷領域Ｃでは吸気行程前半に設定されている。低負
荷領域Ａにおいて圧縮行程後半に噴射される燃料は、図
３に示すように、ピストン１２頂面の溝１０１の底面１
０１ｄに斜め上方向から衝突する。衝突時の燃料とピス
トン１２との相対速度は、ピストン１２が上昇中である
ためにかなり速くなり、その勢いにより、衝突する燃料
は、ピストン１２の熱によって徐々に気化しながら溝１
０１内をその点火プラグ側端部方向に移動する。溝１０
１の二つの側壁１０１ｂ，１０１ｃの間の距離は、この
方向に徐々に狭められているために、噴射され底面１０
１ｄに広がった燃料は溝１０１内の空気と混ざりながら
この点火プラグ側端部に集中し、円弧状端面１０１ａに
沿って適度な濃混合気として上昇する。

【００１８】この時、ＳＣＶ１０は全閉に近く、燃焼室
内には強いスワールが形成されているが、これは燃焼室
の外周部を旋回するものであるために、このように燃焼
室中心部を上昇する濃厚な混合気は、スワールによって
あまり飛散されることなく、その真上に配置された点火
プラグ１近傍に集中させることができ、確実な着火性が
保証され、次にその回りの非常に希薄な混合気をスワー
ルを利用して良好に燃焼させる低燃費の成層燃焼を実現
することができる。

【００１９】高負荷領域Ｃにおいて吸気行程前半に噴射
される燃料は、多量の吸気によってその殆どがピストン
１２頂面に到達する以前に霧化混合され、またピストン
１２頂面に付着する燃料はその熱によって気化され、点
火までに十分に均一化された混合気を形成する。この
時、ＳＣＶ１０が全開に近く燃焼室内にはスワールが形
成されていないが、成層燃焼より高出力を得るのに有利
な良好な均一燃焼がスワールを利用することなく実現さ
れる。

【００２０】図５における中負荷領域Ｂでは、燃料噴射
開始時期が吸気行程前半と圧縮行程後半に分けて設定さ
れている。圧縮行程後半に噴射される燃料は、低負荷領
域Ａと同様に点火プラグ１近傍に濃厚な混合気を形成す
るのに使用され、吸気行程前半に噴射される燃料は、こ
の濃厚な混合気の回りに比較的希薄な均一混合気を形成
するのに使用される。このような混合気形成は、低負荷
領域Ａより高出力の成層燃焼を実現することを意図する
ものである。

【００２１】この中負荷領域Ｂにおける燃料噴射時期制
御は、詳細には、図６に示すように機関回転数に応じて
若干のずれが設けられている。同図は、所定負荷の時の
燃料噴射弁１１の開閉弁時期を示すものであり、同一開
弁時期とすると機関回転数が高い程閉弁から点火までの
時間が短くなり、所望の混合気形成が困難となるため
に、機関回転数が高い程、開弁時期が早められている。
この考え方は、前述した低負荷領域Ａ及び高負荷領域Ｃ
にも適用可能である。

【００２２】中負荷領域Ｂにおける吸気行程前半の燃料
噴射量は、この時の全体の必要量から着火のために圧縮
行程後半に噴射される一定量を除いたものである。この
燃料噴射は、前述した高負荷領域Ｃと同様であるが吸気
量が少ないために、十分に霧化混合されずにピストン１
２頂面に衝突する。この衝突において、燃料噴射弁１１
からピストン１２頂面までの距離が比較的長いために燃
料速度が遅く、またピストン１２が下降中であるため
に、衝突時の燃料とピストン１２の相対速度は、かなり
遅いものである。またピストン１２頂面の衝突範囲は、
噴霧燃料の先端部において燃料速度が遅くあまり広がら
なくなるために、図２に示すように、低負荷領域Ａと同
様に溝１０１内となっている。

【００２３】このようにピストン１２頂面に衝突する燃
料は、前述したようにその衝突速度が遅いために、あま
り移動することなくその場に付着したままとなる。従っ
て、通常であれば、前述した圧縮行程噴射のように溝１
０１の端面１０１ａに沿って上昇することはなく、点火
プラグ１近傍の外側に均一混合気を形成することができ
ず、所望の出力が得られないだけでなく、その後、圧縮
行程後半に噴射される燃料と共に、点火プラグ１近傍に
非常に濃厚な混合気を形成し、逆に着火性を悪化させ、
またスモークの発生原因となる。

【００２４】しかし、本実施例のピストン１２頂面に
は、前述した傾斜面１０２が形成されているために、図
２に示すように、吸気行程において生成されるスワール
の一部がこの傾斜面に沿って溝１０１内に流入し、そこ
付着する燃料を霧化させて溝１０１の端面１０１ａに沿
って上昇させる。このように霧化された燃料は、圧縮行
程の燃料噴射が開始されるまでに、徐々に外周方向に広
がってそこに存在するスワールによって十分に均一化さ
れ、良好な均一混合気を形成することができる。

【００２５】特に、本実施例において、溝１０１の端面
１０１ａを有する点火プラグ側端部が燃焼室中心に対し
て偏心されているために、溝１０１から立ち上がる霧化
燃料は、自ら外周方向に広がる以前に燃焼室外周部を旋
回するスワールに取り込まれるために、スワールによる
均一化が促進され、さらに良好な均一混合気を形成する
ことができる。

【００２６】次に、低負荷領域Ａと同様に圧縮行程後半
の燃料噴射が実行され、点火プラグ１近傍に着火性の良
好な濃厚な混合気が形成されて、比較的高出力の成層燃
焼が実現される。この圧縮行程後半における燃料噴射に
おいても、スワールの一部が溝１０１内に流入するため
に、噴射された燃料の霧化をさらに良好なものにし、ま
た霧化燃料の立ち上がり速度が高まるために、立ち上が
り位置が燃焼室中心に対して偏心していてもスワールに
影響されずに確実に点火プラグ１近傍に濃厚な混合気を
向かわせることができる。

【００２７】

【発明の効果】このように、本発明による第一の筒内噴
射式火花点火機関によれば、燃焼室上側の略中心に位置
する点火栓と、少なくとも特定機関運転状態において、
点火栓近傍に濃厚な混合気を形成するための圧縮行程燃
料噴射及びこの濃厚な混合気の回りに均一混合気を形成
するための吸気行程燃料噴射を担当し、燃焼室上側の周
縁部に位置する燃料噴射弁と、少なくともこの特定機関
運転状態において燃焼室内にその軸線回りに旋回するス
ワールを生成するスワール生成手段と、点火栓の下方か
ら燃料噴射弁側に向けて延在し、ほぼ平坦な底面を有
し、点火栓側の端面が上方向に延在する凹状溝が設けら
れた頂面を有するピストン、とを具備し、凹状溝の底面
に燃料噴射弁から噴射された燃料が斜め上方向から衝突
するようになっており、ピストンの頂面の外周部近傍に
は、スワールの旋回方向に徐々に下がりながら凹状溝に
達する傾斜面が設けられているために、特定機関運転状
態において、吸気行程中に凹状溝の底面に噴射され、そ
こに付着する燃料は、ピストンの頂面に接して旋回する
スワールの一部が凹状溝に流入するために、それによっ
て良好に霧化され凹状溝の端面に沿って上昇させられ、
その後燃焼室外周方向に広がりスワールによって均一化
される。

【００２８】また、本発明による第二の筒内噴射式火花
点火機関によれば、前述の凹状溝の点火栓側端面が、燃
焼室中心から偏心して上方向に延在しているために、前
述のスワールによって霧化され凹状溝の端面に沿って上
昇する燃料は、自ら外周方向に広がる以前に燃焼室外周
部を旋回するスワールに取り込まれ、スワールによる均
一化時間が増大するために、さらに良好な均一混合気を
形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による筒内噴射式火花点火機関の概略平
面図である。

【図２】本発明による筒内噴射式火花点火機関の吸気行
程前半の概略縦断面図である。

【図３】本発明による筒内噴射式火花点火機関の圧縮行
程後半の概略縦断面図である。

【図４】ピストン形状を示す図であり、（Ａ）は平面
図、（Ｂ）はそのＰ−Ｐ断面図である。

【図５】燃焼噴射開始時期を決定するためのマップであ
る。

【図６】中負荷領域における所定負荷の時の回転数に対
する燃料噴射弁の開閉弁時期を示す図である。

【符号の説明】

１…点火プラグ ２…第１吸気通路（ヘリカルポート） ３…第２吸気通路（ストレートポート） ４…第１排気通路 ５…第２排気通路 １０…スワールコントロールバルブ １１…燃料噴射弁 １２…ピストン １０１…溝 １０１ａ…点火プラグ側端面 １０１ｂ…第１側壁 １０１ｃ…第２側壁 １０１ｄ…底面 １０２…傾斜面

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼室上側の略中心に位置する点火栓
   と、少なくとも特定機関運転状態において、前記点火栓
   近傍に濃厚な混合気を形成するための圧縮行程燃料噴射
   及び前記濃厚な混合気の回りに均一混合気を形成するた
   めの吸気行程燃料噴射を担当し、燃焼室上側の周縁部に
   位置する燃料噴射弁と、少なくとも前記特定機関運転状
   態において燃焼室内にその軸線回りに旋回するスワール
   を生成するスワール生成手段と、前記点火栓の下方から
   前記燃料噴射弁側に向けて延在し、ほぼ平坦な底面を有
   し、前記点火栓側の端面が上方向に延在する凹状溝が形
   成された頂面を有するピストン、とを具備し、前記凹状
   溝の底面に前記燃料噴射弁から噴射された燃料が斜め上
   方向から衝突するようになっており、前記ピストンの頂
   面の外周部近傍には、前記スワールの旋回方向に徐々に
   下がりながら前記凹状溝に達する傾斜面が設けられてい
   ることを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。
2. 【請求項２】 前記凹状溝の点火栓側の端面は、燃焼室
   中心から偏心して上方向に延在していることを特徴とす
   る請求項１に記載の筒内噴射式火花点火機関。