JP2000265842A - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料を比較的厚さの薄い平らな扇状に噴射す
る筒内噴射式火花点火内燃機関において、成層燃焼時に
おける失火を確実に防止することである。 【解決手段】 点火プラグと、ピストン頂面に形成され
たキャビティ８と、キャビティ内に燃料を比較的厚さの
薄い略扇状に噴射する燃料噴射弁７とを具備し、燃料を
点火プラグ近傍へ導くための燃料噴射弁に対向するキャ
ビティの対向側壁は８ｂ、平面視において円弧形状から
成る円弧形状部分を有し、この円弧形状部分の両側部の
平面視における円弧半径Ｒ２は、この円弧形状部分の中
央部の平面視における円弧半径Ｒ１より小さくされてお
り、対向側壁には燃料をキャビティ内側方向に偏向させ
る返し部８ｃが設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、筒内噴射式火花点
火内燃機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】気筒内へ直接的に燃料を噴射することに
より、点火時点において点火プラグ近傍だけに着火性の
良好な混合気（以下、可燃混合気）を形成し、気筒内全
体としては希薄な混合気の燃焼を可能にする成層燃焼が
公知である。成層燃焼を実施する際には、一般的に、燃
料噴射弁は、圧縮行程後半に燃料を噴射する。こうして
噴射された燃料は、ピストン頂面に形成された凹状の燃
焼室内へ進入し、高温の空気と燃焼室壁面とから熱を奪
って気化しながら燃焼室形状によって点火プラグ方向へ
偏向され、点火プラグ近傍に可燃混合気を形成すること
が意図されている。

【０００３】一般的な燃料噴射弁は、燃料を円錐状に集
中して噴射するものである。それにより、燃料噴射末期
に噴射された燃料が燃焼室壁面からの熱によって可燃混
合気となるのに必要な時間が比較的長くなり、この時間
を確保するために、燃料噴射終了時期を早めなければな
らない。それにより、圧縮行程後半において噴射可能な
燃料量は必然的に少なくなり、必要燃料量が比較的多く
なる高負荷時には成層燃焼を断念せざるを得なかった。
燃料消費率の低減に有効である成層燃焼を、より広い機
関運転状態で実施することが望まれている。

【０００４】特開平９−１５８７３６号公報には、スリ
ット形状の噴孔を有する燃料噴射弁を使用して、燃料を
比較的厚さの薄い平らな扇状に噴射することが提案され
ている。こうして噴射された燃料は広範囲の燃焼室壁面
から熱を奪えるために、短時間で可燃混合気とすること
ができ、燃料噴射終了時期を遅らせることが可能となる
ために、圧縮行程後半において噴射可能な燃料量を増加
することができ、成層燃焼領域を高負荷側に拡大するこ
とができるとされている。

【０００５】この従来技術において、扇状に噴射された
燃料は、この扇夾角内を燃焼室底壁に沿って放射状に広
がりながら進行する。この時、燃料各部は、互いに放射
状の関係を有する燃焼室底壁に沿う速度ベクトルを有し
ている。その後、燃料各部は、燃料噴射弁に対向する燃
焼室の対向側壁に到達し、この対向側壁に沿って進行す
る。一般的に、燃焼室の対向側壁は、平面視において円
弧形状を有し、この円弧形状中心より燃料扇夾角中心が
燃焼室対向側壁から離間している位置関係となるため
に、燃料が対向側壁上を進行する際に、燃料各部の速度
ベクトルは、上方速度ベクトルと対向側壁中央向きの水
平速度ベクトルとの合成速度ベクトルに変換される。こ
うして、燃料各部を点火プラグへ向けることが意図され
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】燃焼室対向側壁におい
て選択された円弧形状の半径が比較的小さいと、燃料各
部の対向側壁に対する平面視の衝突角度が全体的に小さ
くなるために、燃料各部において全体的に水平速度ベク
トルが大きくなり、特に、対向側壁中央部を沿って進行
する燃料部分は、点火プラグとの水平距離が比較的短い
ために、点火時点において点火プラグ近傍を既に通過し
ていることとなる。

【０００７】また、円弧形状の半径を比較的大きく選択
すると、逆に、燃料各部において全体的に水平速度ベク
トルが小さくなり、特に、対向側壁両側部を沿って進行
する燃料部分は、点火プラグとの水平距離が比較的長い
ために、点火時点において点火プラグ近傍に依然として
到達していないこととなる。このように、燃焼室対向側
面を平面視において単に円弧形状としても、意図するよ
うに扇状の燃料各部全てを点火時点において点火プラグ
近傍に集中させることはできず、成層燃焼に際して点火
プラグ近傍に形成される混合気が希薄となって失火が発
生することがある。

【０００８】従って、本発明の目的は、燃料を比較的厚
さの薄い平らな扇状に噴射する筒内噴射式火花点火内燃
機関において、成層燃焼時における失火を確実に防止す
ることである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による請求項１に
記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、点火プラグと、
ピストン頂面に形成されたキャビティと、前記キャビテ
ィ内に燃料を比較的厚さの薄い略扇状に噴射する燃料噴
射弁とを具備し、前記燃料を前記点火プラグ近傍へ導く
ための前記燃料噴射弁に対向する前記キャビティの対向
側壁は、平面視において円弧形状から成る円弧形状部分
を有し、前記円弧形状部分の両側部の平面視における円
弧半径は、前記円弧形状部分の中央部の平面視における
円弧半径より小さくされており、前記対向側壁には前記
燃料を前記キャビティ内側方向に偏向させる返し部が設
けられていることを特徴とする。

【００１０】また、本発明による請求項２に記載の筒内
噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射
式火花点火内燃機関において、前記返し部は水平面に対
して鋭角度を形成し、前記対向側壁の中央部に設けられ
た前記返し部の前記鋭角度は、前記対向側壁の両側部に
設けられた前記返し部の前記鋭角度に比較して大きいこ
とを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は本発明による筒内噴射式火
花点火内燃機関の第一実施形態を示す概略縦断面図であ
り、図２は図１におけるピストンの平面図である。これ
らの図において、１は吸気ポート、２は排気ポートであ
る。吸気ポート１は吸気弁３を介して、排気ポート２は
排気弁４を介して、それぞれ気筒内へ通じている。５は
ピストンであり、６は気筒略中心上部に配置された点火
プラグである。燃料噴射弁７は、燃料を比較的厚さの薄
い平らな扇状に噴射するものである。

【００１２】燃料噴射弁７は、例えば、高い機関出力が
必要な均一燃焼領域において、吸気行程で必要燃料量を
噴射し、点火時点で気筒内に均一混合気を形成するよう
になっている。一方、成層燃焼領域においては、圧縮行
程後半に必要燃料量を噴射するようになっている。圧縮
行程後半で噴射された燃料は、図１に示すように、ピス
トン５の頂面に形成された凹状のキャビティ８内へ進入
し、キャビティ８の底壁８ａに衝突した後に、底壁８ａ
に沿って燃料扇夾角θ内を放射状に広がって徐々に気化
しながら燃料噴射弁７に対向するキャビティ８の対向側
壁８ｂの方向に進行する。この時、燃料各部は、互いに
放射状の関係を有する底壁８ａに沿う速度ベクトルを有
している。

【００１３】キャビティ８の対向側壁８ｂは、平面視に
おいて円弧形状から成る円弧形状部分を有している。こ
の円弧形状部分において、両側部の平面視における円弧
半径Ｒ２は、中央部の平面視における円弧半径Ｒ１より
小さくされている。互いに異なる円弧半径の接続部は滑
らかに接続されている。また、平面視において、それぞ
れの円弧半径Ｒ１，Ｒ２の中心は燃料扇夾角中央線上に
別々に位置しており、これらの中心より燃料扇夾角中心
は対向側壁８ｂから離間する位置関係となっている。こ
のように、対向側壁８ｂが円弧形状部分を有しており、
キャビティ８の底壁８ａと対向側壁８ｂとが垂直方向に
おいて円弧形状等によって滑らかに接続されているため
に、燃料各部が対向側壁８ｂに到達して対向側壁８ｂに
沿って進行する際には、燃料各部の速度ベクトルは、上
方速度ベクトルと対向側壁８ｂ中央向きの水平速度ベク
トルとの合成速度ベクトルに変換される。また、対向側
壁８ｂには返し部８ｃが設けられており、それにより、
対向側壁８ｂに沿って進行する燃料各部は、キャビティ
８内側方向に偏向させられる。

【００１４】対向側壁８ｂの円弧形状の部分において、
両側部と中央部とが同じ円弧半径を有し、この円弧半径
ｒ１が比較的大きい場合には、図３の上側の図に示すよ
うに、キャビティ８の底壁８ａ上を進行する燃料各部
は、全体的に比較的大きな鋭角度でキャビティ８の対向
側壁８ｂに衝突することとなり、変換に際して水平速度
ベクトルが比較的小さくなる。それにより、点火プラグ
６までの水平距離が短い対向側壁８ｂの中央部に沿って
進行する燃料部分は、点火時点において点火プラグ６近
傍に到達させることができる。しかしながら、点火プラ
グ６までの水平距離が長い対向側壁８ｂの両側部に沿っ
て進行する燃料部分は、点火時点において依然として点
火プラグ６近傍に到達していないこととなる。

【００１５】一方、対向側壁８ｂの円弧形状の部分にお
いて、両側部と中央部とが同じ円弧半径を有し、この円
弧半径ｒ２が比較的小さい場合には、図３の下側の図に
示すように、キャビティ８の底壁８ａ上を進行する燃料
各部は、全体的に比較的小さな鋭角度でキャビティ８の
対向側壁８ｂに衝突することとなり、変換に際して水平
速度ベクトルが比較的大きくなる。それにより、逆に、
対向側壁８ｂの両側部に沿って進行する燃料部分は、点
火時点において点火プラグ６近傍に到達させることがで
きる。しかしながら、対向側壁８ｂの中央部に沿って進
行する燃料部分は、点火時点において既に点火プラグ６
近傍を通過していることとなる。

【００１６】これに対して本実施形態では、キャビティ
８の対向側壁８ｂが、平面視において円弧形状から成る
円弧形状部分を有し、この円弧形状の部分において、両
側部の平面視における円弧半径Ｒ２は、中央部の平面視
における円弧半径Ｒ１より小さくされているために、対
向側壁８ｂの両側部に沿って進行する燃料部分において
は、変換に際して水平速度ベクトルが比較的大きくな
り、対向側壁８ｂの中央部に沿って進行する燃料部分に
おいては、変換に際して水平速度ベクトルが比較的小さ
くなり、点火時点において、燃料各部全てを点火プラグ
６近傍に到達させることができる。

【００１７】但し、返し部８ｃによって燃料各部を同じ
角度でキャビティ８内側方向に偏向させる時には、対向
側壁８ｂの中央部と両側部とで点火プラグ６までの水平
距離が異なるために、燃料各部が点火時点で到達する位
置は、水平方向においては一点近傍とすることができる
が、燃料各部で高さ的には異なる位置となる。例えば、
図２で示す垂直線ＭＣ回りに略円柱状に燃料各部を集中
させることは可能である。こうして形成された混合気は
着火性が悪化するほど希薄とならずに、点火プラグ６の
点火ギャップと接触するために、失火を発生させること
なく良好な成層燃焼を実現することができる。

【００１８】燃料を集中させる垂直線ＭＣを、点火プラ
グ中心線ＰＣと一致させて、形成された可燃混合気と点
火プラグ６の点火ギャップとの接触をさらに確実にする
ことも可能である。この場合には、略円柱状の可燃混合
気の中央部から燃焼が開始することとなる。このような
燃焼においては、可燃混合気の中央部が急激に膨張する
ことによって可燃混合気の周囲部が分散し易く、可燃混
合気の濃度が比較的希薄な場合では、周囲部への燃焼伝
播が不良となって燃焼が悪化する可能性がある。

【００１９】本実施形態においては、燃料を集中させる
垂直線ＭＣを点火プラグ中心線ＰＣから離間させ、略円
柱状の可燃混合気の周囲部から開始させた燃焼を略円柱
状の可燃混合気の略直径方向へ伝播させるようになって
おり、それにより、燃焼した可燃混合気は、未燃焼の可
燃混合気とは反対側へ膨張することができ、未燃焼の可
燃混合気を分散させることがないために、可燃混合気の
濃度が比較的希薄でも良好な燃焼伝播を実現することが
できる。これは燃料消費率をさらに低減することを可能
とする。特に、本実施形態のように、燃料を集中させる
垂直線ＭＣを点火プラグ中心線ＰＣから燃料噴射弁７側
へ離間することによって、燃焼した可燃混合気は、キャ
ビティ８内の燃料噴射弁７側の広い空間へ自由に膨張す
ることができ、未燃焼の可燃混合気の分散を確実に防止
することができる。

【００２０】また、本実施形態において、図２のＡ−Ａ
断面図である図４（Ａ）に示すように、対向側壁８ｂの
中央部に設けられた返し部８ｃは、水平面に対して第１
鋭角度ＴＨ１を有しており、図２のＢ−Ｂ断面図である
図４（Ｂ）に示すように、対向側壁８ｂの両側部に設け
られた返し部８ｃは、水平面に対して第１鋭角度ＴＨ１
より小さな第２鋭角度ＴＨ２を有している。本実施形態
において、キャビティ８の底壁８ａを水平面としたが、
これは本発明を限定するものではなく、側壁８ａは特に
水平面から構成されている必要はない。

【００２１】このように返し部８ｃを構成することによ
って、燃料各部を高さ方向に接近させて垂直線ＭＣ上へ
到達させることができる。こうして、可燃混合気をさら
に集中させることができるために、さらに少量の噴射燃
料により形成される可燃混合気でも確実に着火燃焼させ
ることができる。これは、例えば、アイドル時における
燃料消費率を改善することを可能とする。

【００２２】また、図４に示すように第１鋭角度ＴＨ１
及び第２鋭角度ＴＨ２を垂直線ＭＣの位置及び対向側壁
８ｂの形状を考慮して適当に決定すると共に、返し部８
の各部における水平面に対する鋭角度を徐々に変化させ
るようにすれば、可燃混合気を垂直線ＭＣ上においてほ
ぼ同じ高さ位置（水平面からの高さＨ）へ集中させるこ
とができ、さらに噴射燃料を少量としても可燃混合気を
確実に着火燃焼させることができる。

【００２３】

【発明の効果】このように、本発明による筒内噴射式火
花点火内燃機関によれば、点火プラグと、ピストン頂面
に形成されたキャビティと、キャビティ内に燃料を比較
的厚さの薄い略扇状に噴射する燃料噴射弁とを具備し、
燃料を点火プラグ近傍へ導くための燃料噴射弁に対向す
るキャビティの対向側壁は、平面視において円弧形状か
ら成る円弧形状部分を有し、この円弧形状部分の両側部
の平面視における円弧半径は、この円弧形状部分の中央
部の平面視における円弧半径より小さくされており、対
向側壁には燃料をキャビティ内側方向に偏向させる返し
部が設けられているために、燃料の対向側壁への衝突角
度の違いによって、燃料各部が対向側壁上を進行する際
には、点火プラグからの水平距離が長い両側部では燃料
の水平速度ベクトル成分が大きく、点火プラグからの水
平距離が短い中央部では燃料の水平速度ベクトル成分が
小さくなり、点火時点において燃料各部全てを点火プラ
グ近傍に集中させることができる。こうして、成層燃焼
に際して点火プラグ近傍に形成される混合気が希薄とな
って失火が発生することを防止することができる。

【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内燃機関の実
施形態を示す概略縦断面図である。

【図２】図１のピストンの平面図である。

【図３】キャビティの対向側壁における円弧半径と燃料
の衝突角度との関係を説明するための図である。

【図４】図２における各断面図であり、（Ａ）はＡ−Ａ
断面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ断面図である。

【符号の説明】

５…ピストン ６…点火プラグ ７…燃料噴射弁 ８…キャビティ ８ｂ…対向側壁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安部 静生 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 佐藤 文一 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 飯坂 重光 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 小池 誠 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 野村 佳洋 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 Ｆターム(参考） 3G023 AA00 AA02 AA04 AB03 AC05 AD02 AD03 AD09 AG01

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 点火プラグと、ピストン頂面に形成され
   たキャビティと、前記キャビティ内に燃料を比較的厚さ
   の薄い略扇状に噴射する燃料噴射弁とを具備し、前記燃
   料を前記点火プラグ近傍へ導くための前記燃料噴射弁に
   対向する前記キャビティの対向側壁は、平面視において
   円弧形状から成る円弧形状部分を有し、前記円弧形状部
   分の両側部の平面視における円弧半径は、前記円弧形状
   部分の中央部の平面視における円弧半径より小さくされ
   ており、前記対向側壁には前記燃料を前記キャビティ内
   側方向に偏向させる返し部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内燃機関。
2. 【請求項２】 前記返し部は水平面に対して鋭角度を形
   成し、前記対向側壁の中央部に設けられた前記返し部の
   前記鋭角度は、前記対向側壁の両側部に設けられた前記
   返し部の前記鋭角度に比較して大きいことを特徴とする
   請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。