JP2000297646A - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

筒内噴射式火花点火内燃機関

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JP2000297646A JP11102760A JP10276099A JP2000297646A JP 2000297646 A JP2000297646 A JP 2000297646A JP 11102760 A JP11102760 A JP 11102760A JP 10276099 A JP10276099 A JP 10276099A JP 2000297646 A JP2000297646 A JP 2000297646A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 比較的厚さの薄い平らな扇状に燃料を噴射す
る燃料噴射弁を使用して、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点火プラグ側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、
キャビティ内に噴射された全ての燃料を可燃混合気とし
て確実に着火燃焼させることにより、良好な成層燃焼を
実現することである。 【解決手段】 ピストン５頂面に形成されたキャビティ
８は、燃料が底壁８ａ上を進行する際に過剰に幅方向に
拡がることを防止するためのガイド壁８ｄを有すること
を特徴とする。

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、燃料を高温の空気とピストン熱
と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、点火プラグ側
側壁とを有しており、この点火プラグ側側壁によって、
衝突後に底壁に沿って進行する燃料を点火プラグ近傍に
偏向するようになっている。
【０００４】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
り、キャビティの底壁上を進行する燃料は、幅方向に拡
がって底壁の広範囲部分から熱吸収するために気化し易
い。キャビティの点火プラグ側側壁は、平面視において
円弧形状を有しているために、幅方向における燃料の中
央部分は、底壁上を進行する速度ベクトルが点火プラグ
側側壁によって上方向の速度ベクトルへ変換され、点火
プラグ近傍に向けられる。また、幅方向における燃料の
両側部分は、点火プラグ側側壁に対してそれぞれ鋭角度
に衝突することとなり、底壁上を進行する速度ベクトル
が点火プラグ側側壁によって上方向の速度ベクトルと中
央方向の速度ベクトルとの合成速度ベクトルに変換さ
れ、点火プラグ近傍に向けられる。こうして、幅方向に
拡がって良好に気化しつつある燃料各部分を点火プラグ
近傍に集合させ、点火プラグ近傍に良好な可燃混合気を
形成できるとしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】確かに、燃料を扇状に
噴射してキャビティの底壁上を進行させる際に幅方向に
拡げることで、燃料を気化させ易くすることができる。
しかしながら、この一方で、扇状の燃料は、キャビティ
の底壁上において必要以上に幅方向に拡がり易く、それ
によって、特に、燃料の両側部分が過剰に分散し易い。
【０００６】前述したように、燃料各部分はキャビティ
の点火プラグ側側壁によって点火プラグ近傍に向けられ
るが、正確に同一位置に向かわせることは困難であり、
実際には、燃料各部分により形成される混合気が点火プ
ラグ近傍で連結されるような状態となる。それにより、
このような混合気を確実に着火燃焼させるためには、燃
料各部分毎に形成される混合気が着火性の良好な可燃混
合気となっていなければならない。
【０００７】しかしながら、キャビティの底壁上で燃料
の両側部分が過剰に分散していると、この燃料部分によ
って形成される混合気が非常に希薄となって良好に燃焼
せず、意図する機関出力が得られないだけでなく、未燃
燃料の排出量が増加することとなる。
【０００８】従って、本発明の目的は、比較的厚さの薄
い平らな扇状に燃料を噴射する燃料噴射弁を使用して、
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点火
プラグ側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、キャビティ内に噴射された
全ての燃料を可燃混合気として確実に着火燃焼させるこ
とにより、良好な成層燃焼を実現することである。
【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、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、点火プラグ側
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
記底壁上を進行させた後に前記点火プラグ側側壁によっ
て偏向し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、前記燃料噴射弁は燃料を比較的厚
さの薄い扇状に噴射するものであり、前記キャビティ
は、前記燃料が前記底壁上を進行する際に過剰に幅方向
に拡がることを防止するためのガイド壁を有することを
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、前記ガイド壁は、前記燃
料噴射弁から噴射される燃料の扇夾角とほぼ等しい角度
で延在する二つの略垂直な平らな側壁であり、前記二つ
の平らな側壁の間の距離は、前記燃料噴射弁から噴射さ
れた燃料が前記キャビティの前記底壁に到達する位置に
おいて、前記燃料の幅より僅かに大きくされていること
を特徴とする。
【００１１】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又は２に記載の筒
内噴射式火花点火内燃機関において、前記キャビティに
おいて、前記点火プラグ側側壁は平面視において円弧形
状を有し、前記ガイド壁は、前記点火プラグ側側壁と前
記点火プラグ側側壁の反対側に位置する燃料噴射弁側側
壁とを接続し、前記ガイド壁及び前記燃料噴射弁側側壁
は、平面視において、一体的な円弧形状であることを特
徴とする。
【００１２】
【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、その頂面には凹状のキャビティ８が形
成されている。６は気筒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。燃料噴射弁７
は、燃料のベーパを防止するために、気筒内において吸
気流により比較的低温度となる吸気ポート１側に配置さ
れている。
【００１３】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。
成層燃焼を実施するためには、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
１０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の点火プラグ側側壁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。
【００１４】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
を吸収して容易に気化することができる。キャビティ８
の点火プラグ側側壁８ｂは、平面視において円弧形状を
有しているために、幅方向における燃料の中央部分は、
底壁８ａ上を進行する速度ベクトルが点火プラグ側側壁
８ｂによって上方向の速度ベクトルへ変換され、点火プ
ラグ６近傍に向かうことを可能とする。また、幅方向に
おける燃料の両側部分は、点火プラグ側側壁８ｂに対し
てそれぞれ鋭角度に衝突することとなり、底壁８ａ上を
進行する速度ベクトルが点火プラグ側側壁８ｂによって
上方向の速度ベクトルと中央方向の速度ベクトルとの合
成速度ベクトルに変換され、点火プラグ６近傍に向かう
ことを可能とする。
【００１５】しかしながら、点火プラグ側側壁８ｂによ
って、燃料各部分を正確に点火プラグ６近傍の同一位置
に向かわせることは困難であり、一般的には、図２に示
すように、燃料の中央部分により形成される混合気１０
ａと燃料の両側部分により形成される混合気１０ｂとは
点火プラグ６近傍で連結されたような状態となる。それ
により、このような混合気を確実に着火燃焼させるため
には、燃料各部分毎に形成される混合気１０ａ，１０ｂ
が着火性の良好な可燃混合気となっていなければならな
い。
【００１６】しかしながら、ピストン頂面に形成された
一般的なキャビティは、底壁上を幅方向に拡がりながら
進行する燃料に対して、幅方向に十分な空間が設けられ
ているために、キャビティの底壁上を進行する燃料が、
必要以上に幅方向に拡がり易い。それによって、特に、
燃料の両側部分が過剰に分散する可能性がある。
【００１７】この過剰な分散によって、燃料の両側部分
により形成される混合気１０ｂは非常に希薄となり、燃
料の中央部分により形成される混合気１０ａが確実に着
火しても火炎が良好に伝播せず、キャビティ８内に噴射
された全ての燃料を可燃混合気として良好に燃焼させる
ことができないために、意図する機関出力が得られない
だけでなく、未燃燃料の排出量が増加することとなる。
【００１８】この問題を解決するために、本実施形態で
は、キャビティ８は、燃料が底壁８ａ上を進行する際に
過剰に幅方向に拡がることを防止するためのガイド壁８
ｄを有している。ガイド壁８ｄは、燃料噴射弁７から噴
射される燃料の扇夾角と等しい又は僅かに大きい角度で
延在する二つの略垂直な平らな側壁であり、点火プラグ
側側壁８ｂ及び燃料噴射弁側側壁８ｃとに滑らかに接続
されている。また、ガイド壁と底壁８ａとは非常に小さ
な半径の円弧又は角部により接続されており、二つのガ
イド壁８ｄの間の距離は、燃料の底壁８ａに対する衝突
位置において、燃料の幅より僅かに大きくされている。
【００１９】こうして、燃料噴射弁７から噴射された燃
料は、ガイド壁８ｄに接触することなく底壁８ａに衝突
することが可能となる。その後、燃料は、底壁８ａ上を
幅方向に拡がりながら点火プラグ側側壁８ｂ方向へ進行
するが、この時に、燃料が扇夾角以上に拡がろうとして
も、図２に示すように、直ぐに、ガイド壁８ｄによって
制限されるために、燃料が必要以上に拡がることは防止
され、燃料の両側部分が過剰に分散することはない。そ
れにより、点火プラグ６近傍に希薄な混合気が形成され
ることはなく、良好な成層燃焼を実現することができ
る。
【００２０】燃料噴射弁７から噴射された燃料が、キャ
ビティ８の底壁８ａに衝突する際には、一部の燃料が底
壁８ａに沿って燃料噴射弁７側に進行することがある。
本実施形態において、二つのガイド壁８ｄを燃料噴射弁
７側に必要以上に延在させて、例えば、燃料噴射弁側側
壁８ｃを設けないと、底壁８ａ上を燃料噴射弁７側に進
行する燃料が幅を狭められて勢い良く上昇し、燃料噴射
弁７を直撃する可能性がある。それにより、燃料噴射弁
７の噴孔にデポジットが付着する等の問題が発生するた
めに、本実施形態では、二つのガイド壁８ｄの燃料噴射
弁７側の延在を小さくして、点火プラグ側側壁８ｂに対
向する燃料噴射弁側側壁８ｃが設けられている。それに
より、底壁８ａ上を燃料噴射弁７側に進行する燃料が燃
料噴射弁側側壁８ｃに沿って上昇したとしても、その勢
いは弱く、この燃料の上昇位置は、燃料噴射弁の噴孔よ
り点火プラグ６側となるために、前述の問題が発生する
ことはない。
【００２１】本実施形態において、キャビティ８のガイ
ド壁８ｄは、点火プラグ側側壁８ｂと燃料噴射弁側側壁
８ｃとを接続するものであるが、これは、本発明を限定
するものではなく、例えば、点火プラグ側側壁８ｂと燃
料噴射弁側側壁８ｃとを接続する側壁の内側に、前述の
機能を有するガイド壁を設けるようにしても良い。この
場合において、ガイド壁の高さは、キャビティの深さに
比較して小さくすることが可能である。
【００２２】図３は、本発明による筒内噴射式火花点火
内燃機関の第二実施形態を示すピストンの平面図であ
る。第一実施形態との違いについてのみ以下に説明す
る。本実施形態において、キャビティ８’のガイド壁８
ｄ’は、点火プラグ側側壁８ｂ’と燃料噴射弁側側壁８
ｃ’とを接続し、ガイド壁８ｄ’及び燃料噴射弁側側壁
８ｃ’は、平面視において、一体的な円弧形状となって
いる。
【００２３】この円弧形状の半径は、燃料噴射弁７から
噴射された燃料が、ガイド壁８ｄ’に接触することなく
底壁８ａ’に衝突することを可能とし、その後、ガイド
壁８ｄ’が、底壁８ａ’上を幅方向に拡がりながら点火
プラグ側側壁８ｂ方向へ進行する燃料の前述のガイドと
して機能するように選択されている。
【００２４】こうして、本実施形態によっても第一実施
形態と同様な効果を得ることができる。さらに、本実施
形態では、第一実施形態に比較して、キャビティ８’の
平面視における形状が円形に近づくために、点火プラグ
６近傍の可燃混合気を着火燃焼させる成層燃焼におい
て、火炎がキャビティ内の空気全体に伝播し易く、燃焼
速度を速めることが可能となる。
【００２５】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点火プラグ側側壁と、点火プ
ラグ側側壁の反対側に位置する燃料噴射弁側側壁とを形
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、底壁と点火プラグ側側
壁と燃料噴射弁側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点火プラグ側側壁とし
て、また、点火プラグ側側壁に対向する部分を燃料噴射
弁側側壁として意図していることは明らかである。
【００２６】
【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、
キャビティは、底壁と、点火プラグ側側壁とを有し、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、キャビティの底壁上を進行させた後に点火プラ
グ側側壁によって偏向し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、燃料噴射弁は燃料を比
較的厚さの薄い扇状に噴射するものであり、キャビティ
は、燃料が底壁上を進行する際に過剰に幅方向に拡がる
ことを防止するためのガイド壁を有している。それによ
り、燃料が底壁上を進行する際に燃料の両側部分が過剰
に分散することは防止され、燃料各部分により形成され
る混合気が点火プラグ近傍で連結されるような状態とな
っていても、燃料各部分毎に形成される混合気を着火性
の良好な可燃混合気とすることができ、キャビティ内に
噴射された全ての燃料を確実に着火燃焼させることが可
能となるために、良好な成層燃焼を実現することができ
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第
一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】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第
二実施形態を示すピストンの平面図である。
【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 ８，８’…キャビティ ８ａ，８ａ’…底壁 ８ｂ，８ｂ’…点火プラグ側側壁 ８ｃ，８ｃ’…燃料噴射弁側側壁 ８ｄ，８ｄ’…ガイド壁
───────────────────────────────────────────────────── 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 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 AD09 AG01

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、点火プラグ側側壁とを有し、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上を進行させた後
    に前記点火プラグ側側壁によって偏向して前記点火プラ
    グ近傍に導く筒内噴射式火花点火内燃機関において、前
    記燃料噴射弁は燃料を比較的厚さの薄い扇状に噴射する
    ものであり、前記キャビティは、前記燃料が前記底壁上
    を進行する際に過剰に幅方向に拡がることを防止するた
    めのガイド壁を有す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】 前記ガイド壁は、前記燃料噴射弁から噴
    射される燃料の扇夾角とほぼ等しい角度で延在する二つ
    の略垂直な平らな側壁であり、前記二つの平らな側壁の
    間の距離は、前記燃料噴射弁から噴射された燃料が前記
    キャビティの前記底壁に到達する位置において、前記燃
    料の幅より僅かに大き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】 前記キャビティにおいて、前記点火プラ
    グ側側壁は平面視において円弧形状を有し、前記ガイド
    壁は、前記点火プラグ側側壁と前記点火プラグ側側壁の
    反対側に位置する燃料噴射弁側側壁とを接続し、前記ガ
    イド壁及び前記燃料噴射弁側側壁は、平面視において、
    一体的な円弧形状であることを特徴とする請求項１又は
    ２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
JP10276099A 1999-04-09 1999-04-09 筒内噴射式火花点火内燃機関 Expired - Fee Related JP3370947B2 (ja)

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