JP2000282871A - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧縮行程後半にピストン頂面に形成されたキ
ャビティ内に噴射された燃料をキャビティの底壁上を進
行させて対向側壁によって点火プラグ近傍に導く筒内噴
射式火花点火内燃機関において、可燃混合気を確実な着
火を保証して良好な成層燃焼を実現することである。 【解決手段】 気筒上部壁には、キャビティ８の対向側
壁８ｂによって導かれる燃料が点火プラグ６近傍に達し
た後に点火プラグ近傍を通過し難くするための段部９が
形成されている。

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燃料噴
射弁を具備する筒内噴射式火花点火内燃機関は、圧縮行
程末期にピストン頂面に形成されたキャビティ内へ燃料
を噴射することにより、燃料をピストン熱を利用して気
化させると共に点火プラグ近傍へ導き、点火時点におい
て、着火性の良好な可燃混合気を点火プラグ近傍だけに
形成し、気筒内全体としてリーンな混合気を燃焼可能な
成層燃焼を実現するものである。

【０００３】特開平９−１５８７３６号公報に開示され
ている筒内噴射式火花点火内燃機関のように、一般的に
は、燃料噴射弁は気筒上部周囲の吸気ポート側に配置さ
れ、点火プラグは気筒上部略中心に配置されている。ま
た、ピストン頂面に形成されたキャビティは、燃料噴射
弁から噴射された燃料が衝突する底壁と、燃料噴射弁に
対向する対向側壁とを有しており、この対向側壁によっ
て、衝突後に底壁に沿って進行する燃料（混合気）を点
火プラグ近傍に偏向するようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述の従来技術におい
て、燃料噴射弁は、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が、圧縮行程後半の燃料噴射を可
能とするために燃料噴射圧力は比較的高くしなければな
らず、燃料噴射速度は４０ｍ〜５０ｍと比較的速くな
る。

【０００５】噴射された燃料が、キャビティの底壁及び
対向側壁上を進行して気化することにより可燃混合気と
なれば、移動速度はかなり減少するが、燃料噴射により
生じるガス流動の影響により、点火時点において点火プ
ラグを通過し易く、確実な着火が保証されないために良
好な成層燃焼を実現することができない可能性がある。

【０００６】従って、本発明の目的は、圧縮行程後半に
ピストン頂面に形成されたキャビティ内に噴射された燃
料をキャビティの底壁を進行させて対向側壁によって点
火プラグ近傍に導く筒内噴射式火花点火内燃機関におい
て、可燃混合気の確実な着火を保証して良好な成層燃焼
を実現することである。

【０００７】

【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、気筒上部壁に配
置された点火プラグと、気筒内へ直接的に燃料を噴射す
る燃料噴射弁と、ピストン頂面に形成されたキャビティ
とを具備し、前記キャビティは、底壁と、前記燃料噴射
弁に対向する対向側壁とを有し、前記燃料噴射弁から圧
縮行程後半に前記キャビティ内に噴射された燃料を前記
キャビティの前記底壁に衝突させた後に前記底壁上を進
行させて前記対向側壁によって前記点火プラグ近傍に導
く筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記気筒上部
壁には、前記キャビティの前記対向側壁によって導かれ
る燃料が前記点火プラグ近傍に達した後に前記点火プラ
グ近傍を通過し難くするための段部が形成されているこ
とを特徴とする。

【０００８】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、前記段部は、前記点火プ
ラグ近傍から前記気筒上部壁に沿って移動する燃料の両
側を延在して互いに対向する対向段部を有し、前記対向
段部間の距離は、前記点火プラグ近傍において、前記燃
料の移動方向に沿って徐々に短くされていることを特徴
とする。

【０００９】また、本発明による請求項３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、前記キャビティの前記底
壁における燃料衝突位置は、前記燃料噴射弁側に比較し
て前記対向側壁側が深くなるように傾斜していることを
特徴とする。

【００１０】

【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
ある。図２は、図１の気筒上部の平面図である。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、その頂面には凹状のキャビティ８が形
成されている。６は燃焼室上部略中心に配置された点火
プラグであり、７は気筒上部周囲から気筒内へ直接的に
燃料を噴射するための燃料噴射弁である。本実施形態の
内燃機関は、各気筒毎に二つの吸気弁及び二つの排気弁
を有する４バルブ式であり、燃料噴射弁７は、燃料のベ
ーパを防止するために、燃焼室内において吸気流により
比較的低温度となる二つの吸気弁の間に配置されてい
る。

【００１１】また、燃料噴射弁７は、スリット状の噴孔
を有し、燃料を厚さの薄い扇状に噴射するものである。
燃料噴射量が比較的少ない機関低負荷時には、成層燃焼
を実施するために、図１に示すように、圧縮行程末期に
おいて燃料をピストン５の頂面に形成されたキャビティ
８内へ噴射する。斜線で示す噴射直後の燃料は液状であ
るが、キャビティ８の底壁８ａに沿って進行して、キャ
ビティ８の燃料噴射弁７に対向する対向側壁８ｂによっ
て点火プラグ６近傍へ導かれるまでに気化し、点火時点
において、ドットで示す着火性の良好な可燃混合気とな
る。こうして、点火プラグ６近傍だけに可燃混合気を形
成して、気筒内全体としてはリーンな混合気を燃焼可能
とする成層燃焼を実現することが意図されている。

【００１２】厚さの薄い扇状の燃料噴霧は、キャビティ
８の底壁８ａに沿って進行する際に幅方向に拡がるため
に、キャビティ８の底壁８ａの広範囲部分から良好に熱
を吸収することができる。キャビティ８の対向側壁８ｂ
は、図２に示すように、平面視において円弧形状を有す
るために、キャビティ８の底壁８ａ上を幅方向に拡がっ
た燃料において、燃料中央部は、キャビティ８の対向側
壁８ｂによって上方向へ向かう速度成分が付与され点火
プラグ６近傍へ向かい、燃料両側部は、キャビティ８の
対向側壁８ｂに対してそれぞれ鋭角に衝突して、上方向
へ向かう速度成分が付与されると共に中央方向へ向かう
速度成分も付与され、点火プラグ６近傍へ向かう。こう
して、厚さの薄い扇状の燃料噴霧は、従来の円錐状の燃
料噴霧に比較して、点火プラグ６近傍に気化程度の良好
な可燃混合気を形成することができる。それにより、燃
料量を増加させても成層燃焼が可能となり、燃料消費率
の低い成層燃焼を高負荷側へ拡大することができる。

【００１３】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り、燃料を柱状に噴射す
るものに比較して燃料噴射速度は遅くなるが、圧縮行程
後半の燃料噴射を可能とするために燃料噴射圧力は比較
的高くしなければならず、燃料噴射速度は４０ｍ〜５０
ｍと速くなる。

【００１４】こうして噴射された燃料は、可燃混合気と
なる時点で、その移動速度がかなり減少するが、それで
も、燃料噴射が生成するガス流動により可燃混合気の移
動速度は比較的速く、点火時期又は燃料噴射時期の僅か
なずれによって、点火時点において可燃混合気が点火プ
ラグを通過して、可燃混合気を着火できずに失火が発生
する可能性がある。

【００１５】この問題を解決するために、本実施形態で
は、気筒上部壁に、キャビティ８の対向側壁８ｂによっ
て導かれる燃料が点火プラグ近傍に達した後に点火プラ
グ近傍を通過し難くするための段部９が形成されてい
る。具体的には、本実施形態において、キャビティ８の
対向側壁８ｂによって偏向された燃料は、可燃混合気と
して気筒上部壁に沿って燃料噴射弁７方向に移動するた
めに、段部９は、気筒上部壁の点火プラグ６近傍におけ
る燃料噴射弁７側に設けられている。

【００１６】こうして、可燃混合気は、比較的速い移動
速度を有していても、段部９によって点火プラグ６近傍
で停止させられるために、可燃混合気の確実な着火を実
現することができる。また、段部９が比較的大きな半径
を有する円弧で気筒上部壁に接続されている場合には、
可燃混合気は、段部９によって下方向に偏向させられる
こととなるが、この方向に進行しても、接近するピスト
ン頂面のキャビティ８によって、可燃混合気は依然とし
て点火プラグ６近傍に位置することとなり、やはり、可
燃混合気の確実な着火を実現することができる。

【００１７】さらに、図１に示すように、段部９の先端
に返し部９ａが設けられている場合には、矢印で示すよ
うに、可燃混合気は点火プラグ６側下方向に偏向され、
点火プラグ６近傍を縦方向に旋回するようになり、可燃
混合気をさらに確実に点火プラグ６近傍に位置させるこ
とができ、可燃混合気の着火をさらに確実に実現するこ
とができる。

【００１８】また、段部９は、図２に示すように、点火
プラグ６近傍から気筒上部壁に沿って移動する可燃混合
気の両側を延在して互いに対向する対向段部を有してお
り、これら対向段部間の距離は、少なくとも点火プラグ
６近傍において、徐々に短くされている。それにより、
キャビティ８の対向側壁８ｂによって上方向に偏向され
た可燃混合気が十分に中央方向へ向かわなくても、この
段部９によって点火プラグ６近傍に確実に収束させるこ
とができ、前述の段部９の効果に加えて可燃混合気をさ
らに確実に着火させることが可能となる。

【００１９】ところで、キャビティ８壁面の熱によって
噴射された燃料を良好に気化させるためには、キャビテ
ィ８壁面に沿っての燃料の移動距離を延長させて、燃料
をキャビティ８壁面に長い時間接触させることが必要で
ある。これを実現するために、燃料は水平に対して比較
的大きな鋭角度で噴射される。それにより、燃料噴射弁
の同じ噴孔位置において、燃料を比較的小さな鋭角度で
噴射する場合に比較して、燃料の底壁８ａに対する衝突
位置をキャビティ８の対向側壁８ｂから遠ざけることが
でき、キャビティ８の底壁８ａ上における燃料の移動距
離を延長することが可能となる。

【００２０】しかしながら、こうして、燃料を水平に対
して比較的大きな鋭角度で噴射する場合に、キャビティ
８の底壁８ａが水平であると、底壁８ａに衝突した燃料
が分流して、全ての燃料が底壁８ａに沿って対向側壁８
ｂ方向に進行せず、一部の燃料が底壁８ａに沿って反対
方向に進行することがある。

【００２１】それにより、キャビティ８の対向側壁８ｂ
によって点火プラグ６近傍に形成される可燃混合気の量
は少なくなり、意図する機関出力を発生させることがで
きないだけでなく、反対方向に進行する燃料により形成
される混合気を良好に燃焼させることができずに、未燃
燃料の排出量が増大する可能性がある。

【００２２】しかしながら、本実施形態においては、キ
ャビティ８の底壁８ａが、全体的に、燃料噴射弁７側か
ら対向側壁８ｂへ向かって深くなるように傾斜している
ために、燃料を水平に対して比較的大きな鋭角度で噴射
しても、燃料は底壁８ａに対しては比較的小さな鋭角度
で衝突することとなり、前述の燃料の分流の問題が発生
することがない。もちろん、少なくともキャビティ８の
底壁８ａにおける燃料衝突位置を、燃料噴射弁７側に比
較して対向側壁８ｂ側が深くなるように傾斜させれば、
同様な効果を得ることができる。

【００２３】このように、燃料を底壁８ａに対して比較
的小さな鋭角度で衝突させることは、一方で、噴射され
た燃料の衝突に際しての速度低下を抑制することとな
り、可燃混合気の速度を速めることとなる。しかしなが
ら、本実施形態は、前述したように、段部９によって、
可燃混合気の移動速度が比較的速くでも確実な可燃混合
気の着火を実現することができ、特に問題は発生しな
い。

【００２４】本実施形態において、段部９は、気筒上部
壁の吸気ポート側を全体的に突出させたものであるが、
これは、本発明を限定するものではなく、同様な段部９
が形成されるように、気筒上部壁を部分的に突出させる
ようにしても良い。もちろん、円弧形状等のキャビティ
８の対向側壁８ｂによって燃料が確実に中央方向へ偏向
されて点火プラグ６近傍に導かれるならば、段部９は、
少なくとも点火プラグ６近傍だけに形成するようにして
も良い。

【００２５】また、本実施形態において、キャビティ８
の対向側壁８ｂは、言わば、可燃混合気を燃料噴射弁７
側に戻すようにして点火プラグ６近傍に導くものである
ために、段部９は、点火プラグ６と燃料噴射弁７との間
に位置するようになっているが、もちろん、キャビティ
８の対向側壁８ｂが、可燃混合気を燃料噴射弁７と反対
側に向かわせるようにして点火プラグ６近傍に導く場合
には、段部は、点火プラグ６の燃料噴射弁７とは反対側
に位置するようになる。すなわち、段部は、前述の効果
を得るために、キャビティの対向側壁によって導かれる
燃料が点火プラグ近傍に達した後に点火プラグ近傍を通
過し難くするように形成される必要がある。

【００２６】また、本実施形態においては、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
としたが、これは、本発明を限定するものではなく、燃
料が円錐状に噴射されても柱状に噴射されても良い。

【００２７】本実施形態において、ピストン頂面のキャ
ビティは、燃料が衝突する底壁と、底壁上を進行する燃
料を点火プラグ近傍に導く対向側壁とを形状的に区別可
能なものである。しかしながら、これは、本発明を限定
するものではない。例えば、キャビティが略半球形状で
ある場合のように、底壁と対向側壁とが形状的には区別
できなくても、本発明は、燃料が衝突する部分をキャビ
ティを底壁として、また、この底壁上を進行する燃料を
点火プラグ近傍に導く部分をキャビティの対向側壁とし
て意図していることは明らかである。

【００２８】

【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、気筒上部壁に配置された点火
プラグと、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁
と、ピストン頂面に形成されたキャビティとを具備し、
このキャビティは、底壁と、燃料噴射弁に対向する対向
側壁とを有し、燃料噴射弁から圧縮行程後半にキャビテ
ィ内に噴射された燃料をキャビティの底壁に衝突させた
後に底壁上を進行させて対向側壁によって点火プラグ近
傍に導く筒内噴射式火花点火内燃機関において、気筒上
部壁には、キャビティの対向側壁によって導かれる燃料
が点火プラグ近傍に達した後に点火プラグ近傍を通過し
難くするための段部が形成されている。それにより、噴
射された燃料により形成される可燃混合気の速度が比較
的速くても、この段部によって、可燃混合気を点火時点
において点火プラグ近傍に位置させることができ、確実
な着火が保証されるために、良好な成層燃焼を実現する
ことが可能となる。

【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の気筒上部の平面図である。

【符号の説明】

１…吸気ポート ２…排気ポート ３…吸気弁 ４…排気弁 ５…ピストン ６…点火プラグ ７…燃料噴射弁 ８…キャビティ ８ａ…底壁 ８ｂ…対向側壁 ９…段部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柏倉 利美 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 友田 晃利 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 服部 文昭 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 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 AA01 AB03 AC05 AD02 AD03 AD04 AD09 AG01 3G066 AA02 AA05 AB02 AD12 BA14 CC34 DA04

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気筒上部壁に配置された点火プラグと、
   気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁と、ピスト
   ン頂面に形成されたキャビティとを具備し、前記キャビ
   ティは、底壁と、前記燃料噴射弁に対向する対向側壁と
   を有し、前記燃料噴射弁から圧縮行程後半に前記キャビ
   ティ内に噴射された燃料を前記キャビティの前記底壁に
   衝突させた後に前記底壁上を進行させて前記対向側壁に
   よって前記点火プラグ近傍に導く筒内噴射式火花点火内
   燃機関において、前記気筒上部壁には、前記キャビティ
   の前記対向側壁によって導かれる燃料が前記点火プラグ
   近傍に達した後に前記点火プラグ近傍を通過し難くする
   ための段部が形成さ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】 前記段部は、前記点火プラグ近傍から前
   記気筒上部壁に沿って移動する燃料の両側を延在して互
   いに対向する対向段部を有し、前記対向段部間の距離
   は、前記点火プラグ近傍において、前記燃料の移動方向
   に沿って徐々に短くされ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内燃機関。
3. 【請求項３】 前記キャビティの前記底壁における燃料
   衝突位置は、前記燃料噴射弁側に比較して前記対向側壁
   側が深くなるように傾斜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内燃機関。