JP2001241328A - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 成層燃焼を実現するために、シリンダヘッド
に形成されたキャビティ内へキャビティ外に位置する燃
料噴射弁から燃料を噴射する筒内噴射式火花点火内燃機
関において、点火プラグが位置するキャビティ内に点火
時点において良好な可燃混合気を確実に形成して、失火
のない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頂面は、キャビティ８の上壁
を介してキャビティの下方へ流出する燃料を点火プラグ
６近傍へ偏向する偏向部分５ａを有する。

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。一般的な筒内噴射式火花点火内燃機関は、
このような成層燃焼に際して、圧縮行程後半にピストン
頂面に形成された凹状のキャビティ内へ燃料を噴射する
ようになっている。こうして噴射された燃料は、キャビ
ティ壁面から受熱して気化すると共にキャビティ形状に
よって点火プラグ近傍へ導かれ、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】燃料噴射弁は、一般的に気筒上部周囲に配
置されて燃料を斜め下方向に噴射するものであるため
に、ピストン頂面に形成されたキャビティ内へ確実に燃
料を噴射するには、燃料噴射中のピストンの位置範囲が
限定される。また、噴射された全ての燃料を点火時点で
気化させるためには、燃料噴射終了から点火までに、あ
る程度の時間が必要である。それにより、機関回転数が
高くなってピストン上昇速度が速くなる場合において特
に、ピストンが前述の位置範囲内である時間は短くなっ
て、燃料噴射終了からの燃料気化時間を考慮すると、燃
料噴射可能な時間は非常に短くなる。こうして、少量の
燃料しか噴射できないために、成層燃焼運転領域は狭い
ものとされている。

【０００４】燃費効率の高い成層燃焼を広い運転領域で
実施するために、特開平１−１７３４２６号公報には、
キャビティをシリンダヘッドに形成して、このキャビテ
ィ内へ燃料を噴射することが提案されている。それによ
り、圧縮行程においてピストン位置に係わらず燃料噴射
が可能となり、比較的多量の燃料を噴射することができ
るようになる。

【０００５】この従来技術において、燃料噴射弁は、キ
ャビティ外に配置されているために、噴射された燃料
は、キャビティがピストン頂面に形成されている場合と
同様に、キャビティ内へ到達する以前に気筒内の吸気と
十分に混合して微粒化され、良好な可燃混合気となる。
このように、キャビティをシリンダヘッドに形成する場
合において、燃料噴射弁をキャビティから離間させるこ
とは良好な可燃混合気の形成に重要である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、こうし
て燃料噴射弁をキャビティから離間させると、燃料噴射
弁は燃料を斜め上方向に噴射しなければならず、噴射さ
れた燃料は、上方向の速度成分を有するために、キャビ
ティの上壁を介して、逆にキャビティから下方へ流出し
易くなる。こうして、点火時点においてキャビティ内に
位置する点火プラグ近傍に可燃混合気を位置させること
が難しく、良好な可燃混合気が形成されているにも係わ
らずに失火が発生することがある。

【０００７】従って、本発明の目的は、成層燃焼を実現
するために、シリンダヘッドに形成されたキャビティ内
へキャビティ外に位置する燃料噴射弁から燃料を噴射す
る筒内噴射式火花点火内燃機関において、点火プラグが
位置するキャビティ内に点火時点において良好な可燃混
合気を確実に形成して、失火のない良好な成層燃焼を実
現することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による請求項１に
記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、シリンダヘッド
に形成されたキャビティと、前記キャビティ内に位置す
る点火プラグと、前記キャビティ外に位置して前記キャ
ビティ内へ燃料を噴射するための燃料噴射弁とを具備
し、ピストン頂面は、前記キャビティの上壁を介して前
記キャビティの下方へ流出する燃料を前記キャビティ内
へ偏向する偏向部分を有することを特徴とする。

【０００９】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、ピストン頂面の前記偏向
部分は、前記キャビティに対向して滑らかな曲面を有す
る凹部であることを特徴とする。

【００１０】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、シリンダヘッドに形成され
たキャビティと、前記キャビティ内に位置する点火プラ
グと、前記キャビティ外に位置して気筒内へ燃料を噴射
するための燃料噴射弁と、気筒内へ流体を噴射する流体
噴射弁とを具備し、前記流体噴射弁からの流体噴流は、
前記キャビティの下側を略横断するように指向され、前
記燃料噴射弁からの燃料噴流は、前記キャビティの下側
において前記流体噴流と衝突して前記キャビティ内へ導
かれることを特徴とする。

【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
る。同図において、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。シリンダヘッドには、二つの排気ポー
ト２開口と点火プラグ６とを含む位置にキャビティ８が
形成されている。燃料噴射弁７は、気筒上部周囲の吸気
ポート１側に配置され、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】キャビティ８外に位置する燃料噴射弁７
は、キャビティ８内へ向けて斜め上方向に燃料を噴射す
る。こうして噴射された燃料は、キャビティ８へ到達す
る以前に大きく幅方向に拡がって気筒内の吸気と十分に
混合して微粒化され、その後のキャビティ８上壁との衝
突によってさらに微粒化されると共に、この上壁から熱
を吸収して気化し始める。燃料噴射弁７から噴射された
燃料は、上方向の速度成分を有するために、キャビティ
８上壁との衝突後には逆に下方向の速度成分を有するこ
ととなり、気化し始めた燃料は、キャビティ８から下方
向に流出する。

【００１３】機関高負荷時等において均質燃焼を実施す
る場合には、燃料噴射弁７による燃料噴射は吸気行程で
行われ、こうしてキャビティ８から流出する燃料は、ピ
ストン５の下降により形成される比較的大きな気筒内空
間へ分散し、その後の圧縮行程での十分な混合によっ
て、点火時点において気筒内には十分に均質化された均
質混合気を形成することができ、良好な均質燃焼を実現
することができる。

【００１４】一方、成層燃焼を実施する場合には、燃料
噴射弁７による燃料噴射は圧縮行程で行われる。本実施
形態では、シリンダヘッドに形成されたキャビティ８内
へ燃料を噴射するために、ピストン位置に係わらず燃料
噴射が可能となって比較的多量の燃料を噴射することが
でき、燃費効率の高い成層燃焼の運転領域を高回転高負
荷側へ拡大することができる。また、本実施形態におい
て、キャビティ８は、高温度の排気ガスが通過する排気
ポート２を含み形成されており、ここに噴射される燃料
へ多量の熱を提供することができる。それにより、噴射
された燃料を全て気化させるための燃料噴射終了から点
火までに必要な時間が短縮され、さらに多量の燃料噴射
が可能で成層燃焼運転領域をさらに拡大することができ
る。

【００１５】しかしながら、前述したように、噴射燃料
は、キャビティ８の上壁に衝突した後にキャビティ８か
ら下方へ流出し、このままでは、点火時点において点火
プラグ６近傍に可燃混合気を形成することができない。
この問題を解決するために、本実施形態では、ピストン
５の頂面には、キャビティ８に対向する凹部５ａが形成
されている。この凹部５ａは、部分球形状のような滑ら
かな曲面を有する偏向部分であり、図１に示すように、
キャビティ８から下方へ流出する燃料をキャビティ８内
へ向けて上方へ偏向するように機能する。

【００１６】こうして、キャビティ８から下方へ流出し
た燃料は再びキャビティ８内へ戻され、燃料がキャビテ
ィ８外の吸気ポート側へ分散することなく、キャビティ
８の上壁とピストン５の凹部５ａとに沿って縦方向に旋
回して点火プラグ６近傍を通過する可燃混合気が形成さ
れる。それにより、圧縮行程末期の点火時期において
は、可燃混合気を確実にキャビティ８内に位置させるこ
とができ、キャビティ８内の点火プラグ６によって、こ
の可燃混合気を着火燃焼させ、失火のない良好な成層燃
焼を実現することができる。さらに、こうして可燃混合
気を旋回させることは、筒内流動による燃焼速度の上昇
をもたらし、成層燃焼をさらに良好なものとすることが
できる。

【００１７】成層燃焼時において、比較的多量の燃料を
噴射するために、圧縮行程前半から燃料噴射を開始する
場合には、燃料噴射初期においてピストン５は比較的低
い位置にあるが、キャビティ８から下方へ流出する燃料
は、確実にキャビティ８に対向する凹部５ａへ向かい、
凹部５ａによってキャビティ８内へ偏向される。こうし
て、比較的多量の燃料が噴射される場合には、燃料噴射
初期において、縦長で旋回する可燃混合気が形成される
が、ピストン５の上昇に伴って、この旋回可燃混合気は
縦方向に圧縮されるだけであり、燃料がキャビティ８外
の吸気ポート側へ分散することはない。また、この時に
おいて、燃料は、旋回中において十分に空気と混合する
ために、比較的多量の燃料が噴射されても過濃混合気が
形成されることはなく、前述したように良好な成層燃焼
が実現される。

【００１８】図２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概略縦断面図であり、図３
は図２の筒内噴射式火花点火内燃機関のシリンダヘッド
の底面図である。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、気筒上部周囲の燃
料噴射弁７の対向側には高圧空気噴射弁９が配置されて
いる。図２及び３に示すように、燃料噴射弁７は、第一
実施形態と同様に、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、一方、高圧空気噴射弁９も、高
圧空気を比較的厚さの薄い扇状に噴射するものである。

【００１９】均質燃焼時には、高圧空気噴射弁９から高
圧空気が噴射されることはなく、第一実施形態と同様
に、吸気行程において燃料噴射弁７から噴射される燃料
が、キャビティ８の上壁に衝突して、気筒内へ分散し、
点火時点において良好な均質混合気が形成される。

【００２０】一方、成層燃焼時には、燃料噴射量に応じ
た噴射開始時期から圧縮行程における燃料噴射が行わ
れ、燃料噴射と同時に高圧空気噴射弁９から高圧空気が
噴射される。この空気噴流Ｂは、キャビティ８の下側を
略横断して燃料噴射弁７からの燃料噴流Ａと衝突し、衝
突後の燃料噴流は、均質燃焼時に比較してキャビティ８
内の気筒中央側へ導かれるようになっている。キャビテ
ィ８内へ導かれた燃料噴流は、空気噴流Ｂとの衝突によ
って、大幅に慣性力を失っており、その後のキャビティ
８上壁との衝突によって発生する下方向の速度成分は非
常に小さくなる。それにより、大部分はキャビティ８内
に浮遊し、一部の燃料はキャビティ８から下方へ流出し
ようとするが、この燃料は、空気噴流Ｂに容易に巻き込
まれ、空気噴流Ｂより下側へは流出しない。

【００２１】こうして、燃料噴射及び高圧空気噴射の持
続中において、燃料噴射弁７から噴射された燃料は、全
てキャビティ８内へ留まり、空気噴流Ｂとの衝突以前に
おいて気筒内の吸気と十分に混合されているために、キ
ャビティ８の壁面から熱を吸収して容易に気化し、キャ
ビティ８全体に良好な可燃混合気を形成する。燃料噴射
の停止と同時に高圧空気噴射も停止され、その後におい
て点火時期となるが、キャビティ８内に形成された可燃
混合気は、キャビティ８内に位置する点火プラグ６によ
って確実に着火燃焼させられ、失火のない良好な成層燃
焼を実現することができる。

【００２２】また、図４に示すように、燃料噴射が停止
された後において点火時期直前まで高圧空気噴射を持続
するようにしても良い。本実施形態において、高圧空気
噴射弁９は、空気噴流Ｂをキャビティ８外の点火プラグ
６近傍へ指向させており、それにより、空気噴流Ｂ自身
はキャビティ８外へ進行するが、噴射末期の燃料が気化
して点火時期となるまでの間において、全ての燃料を確
実にキャビティ８内に保持すると共に、この空気噴流Ｂ
によってキャビティ８内に点火プラグ６方向への流動を
発生させ、特に、燃料噴射量が少ない時に可燃混合気を
点火プラグ６近傍へ集中させることができる。こうし
て、この時の着火性をさらに改善するすることができ
る。

【００２３】また、図５に示すように、高圧燃料噴射弁
９’は、空気噴流Ｂ’をキャビティ８内へ指向させても
良い。それにより、燃料噴射が停止された後において点
火時期直前まで高圧空気噴射を持続すれば、空気噴流
Ｂ’は、噴射末期の燃料が気化して点火時期となるまで
の間において、全ての燃料を確実にキャビティ８内に保
持すると共に、この空気噴流Ｂ’によってキャビティ８
内に乱れが発生し、キャビティ８内の可燃混合気の燃焼
速度が速まり、成層燃焼をさらに良好なものとすること
ができる。

【００２４】前述した全ての実施形態において、燃料噴
射弁７は、燃料を比較的厚さの薄い略扇形状に噴射する
ものであるが、これは本発明を限定するものではなく、
比較的強い慣性力を有するように燃料を円錐状又は柱状
に噴射するようにしても同様な効果を得ることができ
る。また、キャビティ８の位置は、排気ポート２側に限
定されることはなく、シリンダヘッドにおけるいずれの
位置にも形成可能である。この場合において、噴射燃料
がキャビティ８へ到達する以前において吸気との十分な
混合を実現するために、燃料噴射弁はキャビティ外へ配
置することが好ましい。

【００２５】また、第二実施形態においては、高圧空気
を噴射する高圧空気噴射弁９，９’が設けられている
が、噴射流体は、高圧空気に限定されることはなく、例
えば、排気ガスを高圧で噴射するようにしても良い。そ
れにより、ＮＯ_x 低減のための排気ガス再循環を同時に
行うことができる。

【００２６】また、第一実施形態及び第二実施形態は、
前述したように、点火時点においてキャビティ内に可燃
混合気を形成することを可能とするものである。それに
より、点火プラグの位置は、気筒上部略中心でキャビテ
ィ周囲部に限定されることはなく、キャビティ内のいず
れの位置でも良い。

【００２７】

【発明の効果】このように、本発明による一つの筒内噴
射式火花点火内燃機関によれば、シリンダヘッドに形成
されたキャビティと、キャビティ内に位置する点火プラ
グと、キャビティ外に位置してキャビティ内へ燃料を噴
射するための燃料噴射弁とを具備し、ピストン頂面は、
キャビティの上壁を介してキャビティの下方へ流出する
燃料をキャビティ内へ偏向する偏向部分を有するため
に、噴射された燃料は、キャビティの上壁及びピストン
頂面の偏向部分とを介して縦方向に旋回して可燃混合気
となり、シリンダヘッドのキャビティ外側へ分散するこ
とはなく、点火時点においてキャビティ内に可燃混合気
を確実に形成して、キャビティ内に位置する点火プラグ
によって確実に着火燃焼させることができ、失火のない
良好な成層燃焼が実現可能である。

【００２８】また、本発明によるもう一つの筒内噴射式
火花点火内燃機関によれば、シリンダヘッドに形成され
たキャビティと、キャビティ内に位置する点火プラグ
と、キャビティ外に位置して気筒内へ燃料を噴射するた
めの燃料噴射弁と、気筒内へ流体を噴射する流体噴射弁
とを具備し、流体噴射弁からの流体噴流は、キャビティ
の下側を略横断するように指向され、燃料噴射弁からの
燃料噴流は、キャビティの下側において流体噴流と衝突
してキャビティ内へ導かれるようになっている。それに
より、キャビティ内へ導かれる燃料は、流体噴流との衝
突によって大幅に慣性力を失っており、その後のキャビ
ティ上壁との衝突によって発生する下方向の速度成分が
非常に小さくなる。こうして、大部分の燃料はキャビテ
ィ内に浮遊し、一部の燃料はキャビティから下方へ流出
しようとするが、この燃料は流体噴流に容易に巻き込ま
れて流体噴流より下側へ流出せず、全ての燃料をキャビ
ティ内に留めて良好な可燃混合気とさせ、キャビティ内
に位置する点火プラグによって確実に着火燃焼させるこ
とができ、失火のない良好な成層燃焼を実現可能であ
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】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第
二実施形態を示す概略縦断面図である。

【図３】図２の筒内噴射式火花点火内燃機関のシリンダ
ヘッドの底面図である。

【図４】図２の筒内噴射式火花点火内燃機関の点火時期
直前を示す概略縦断面図である。

【図５】図２の筒内噴射式火花点火内燃機関の変形例に
おける点火時期直前を示す概略縦断面図である。

【符号の説明】

５…ピストン ５ａ…偏向部分 ６…点火プラグ ７…燃料噴射弁 ８…キャビティ ９，９’…高圧空気噴射弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 神田 睦美 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 千葉 史人 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 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 Ｆターム(参考） 3G019 AA08 AA09 AB03 AB07 KA15 3G023 AA07 AB01 AC00 AC05 AD03 AD04 AD09 AD12 AG01 AG02

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダヘッドに形成されたキャビティ
   と、前記キャビティ内に位置する点火プラグと、前記キ
   ャビティ外に位置して前記キャビティ内へ燃料を噴射す
   るための燃料噴射弁とを具備し、ピストン頂面は、前記
   キャビティの上壁を介して前記キャビティの下方へ流出
   する燃料を前記キャビティ内へ偏向する偏向部分を有す
   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】 ピストン頂面の前記偏向部分は、前記キ
   ャビティに対向して滑らかな曲面を有する凹部であるこ
   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】 シリンダヘッドに形成されたキャビティ
   と、前記キャビティ内に位置する点火プラグと、前記キ
   ャビティ外に位置して気筒内へ燃料を噴射するための燃
   料噴射弁と、気筒内へ流体を噴射する流体噴射弁とを具
   備し、前記流体噴射弁からの流体噴流は、前記キャビテ
   ィの下側を略横断するように指向され、前記燃料噴射弁
   からの燃料噴流は、前記キャビティの下側において前記
   流体噴流と衝突して前記キャビティ内へ導かれることを
   特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。