JP2002030938A - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 点火時点での混合気状態を良好にするために
気筒上部壁に突出部が設けられている筒内噴射式火花点
火内燃機関において、突出部による燃焼速度の低下を防
止して、良好な燃焼を実現することである。 【解決手段】 気筒上部壁に配置された点火プラグ６
と、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁７と、
点火時点での混合気状態を良好にするために気筒上部壁
から下方へ突出する突出部１０とを具備し、突出部は、
少なくとも膨張行程前半において気筒上部壁側へ引っ込
められている。

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
程での燃料噴射によって点火プラグ近傍に可燃混合気を
形成し、この可燃混合気を着火燃焼させることにより、
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
層燃焼と、吸気行程での燃料噴射によって気筒内全体に
均質混合気を形成し、この均質混合気を着火燃焼させる
均質燃焼とを機関負荷等に応じて切り換えて実施する
か、又は、いずれかの燃焼だけを実施するものである。

【０００３】特開平２０００−４５７７７号公報は、成
層燃焼時において、可燃混合気の拡散を防止して確実な
着火性を確保するために、シリンダヘッドの点火プラグ
近傍には、可燃混合気を点火プラグ近傍に滞留させるた
めの突出部が形成されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この従来技術におい
て、シリンダヘッドの突出部は、確かに、可燃混合気の
確実な着火を保証する。着火後の可燃混合気は、気筒内
全体に膨張して火炎伝播することにより燃焼が完了する
が、前述の従来技術においては、シリンダヘッドの突出
部が、可燃混合気の良好な膨張及び火炎伝播を阻害する
と共に、火炎を冷却するために、特に、突出部近傍にお
ける燃焼速度が低下し、良好な成層燃焼を実現すること
はできない。

【０００５】従って、本発明の目的は、点火時点での混
合気状態を良好にするために気筒上部壁に突出部が設け
られている筒内噴射式火花点火内燃機関において、突出
部による燃焼速度の低下を防止して、良好な燃焼を実現
することである。

【０００６】

【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、点火時点での混合気状態を良好にする
ために前記気筒上部壁から下方へ突出する突出部とを具
備し、前記突出部は、少なくとも膨張行程前半において
前記気筒上部壁側へ引っ込められていることを特徴とす
る。

【０００７】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、前記燃料噴射弁は、吸気
行程において燃料を噴射するものであり、前記突出部
は、吸気弁開弁中における設定クランク角度範囲で突出
して、気筒内にタンブル流を発生させ、機関回転数が高
い時には、前記機関回転数が低い時に比較して、前記設
定クランク角度範囲が小さくされるか又は前記突出部の
突出長さが小さくされることを特徴とする。

【０００８】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、前記燃料噴射弁は、圧縮
行程において燃料を噴射するものであり、前記突出部
は、少なくとも前記燃料噴射弁の燃料噴射中には突出し
て前記燃料噴射弁から噴射された燃料を前記点火プラグ
近傍に着火可能に滞留させることを特徴とする。

【０００９】また、本発明による請求項４に記載の筒内
噴射式火花点火内燃機関は、請求項３に記載の筒内噴射
式火花点火内燃機関において、前記突出部は、前記燃料
噴射弁から噴射された燃料へ旋回速度成分を与え、前記
燃料を点火プラグ近傍に着火可能に滞留させることを特
徴とする。

【００１０】また、本発明による請求項５に記載の筒内
噴射式火花点火内燃機関は、請求項４に記載の筒内噴射
式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁は、圧縮
行程において複数の方向に燃料を噴射するものであり、
複数の前記突出部が、複数の方向に噴射された前記燃料
のそれぞれに対応して前記点火プラグの周囲に設けられ
ていることを特徴とする。

【００１１】また、本発明による請求項６に記載の筒内
噴射式火花点火内燃機関は、請求項４又は５に記載の筒
内噴射式火花点火内燃機関において、前記突出部は、前
記燃料へ横旋回速度成分を与えることを特徴とする。

【００１２】また、本発明による請求項７に記載の筒内
噴射式火花点火内燃機関は、請求項３に記載の筒内噴射
式火花点火内燃機関において、前記突出部は、回動可倒
式であり、前記燃料噴射弁からの燃料噴射量が少ない時
には、前記燃料噴射量が多い時に比較して、前記突出部
の突出角度は大きくされ、前記点火プラグのより近くに
前記燃料を滞留させることを特徴とする。

【００１３】

【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の筒内噴射式火花点火内燃機関のシ
リンダヘッドの平面図である。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。本実施形態における筒内
噴射式火花点火内燃機関は、特に、二つの吸気ポート１
及び吸気弁３と、二つの排気ポート２及び排気弁４とを
有する吸排気二弁式であるが、これは、本発明を限定す
るものではない。５はピストンであり、６は気筒上部
壁、すなわち、シリンダヘッドの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。

【００１４】また、燃料噴射弁７は、スリット状の噴孔
を有し、図１及び２に一点鎖線で示すように、燃料を、
厚さの薄い略扇状に、点火プラグ６の直下側へ向けて、
点火プラグ６に対して略左右対称に噴射する。こうして
厚さの薄い略扇状に噴射された燃料は、その全てが気筒
内の吸気と十分に接触するために気化し易い。成層燃焼
を実施するためには、図１に示すように、圧縮行程後半
において燃料噴射が実施される。気筒上部壁における点
火プラグ６近傍には、燃料噴射弁７と反対側において下
方へ突出する突出部１０が設けられている。突出部１０
は、燃料噴射弁７から噴射された扇状の燃料噴霧が衝突
するような比較的大きな円弧面を有している。それによ
り、燃料噴霧は、突出部１０に衝突して点火プラグ６近
傍を通過することなく滞留すると共に、燃料噴霧の各部
は円弧面との衝突によって中央方向に向けられるため
に、点火プラグ６近傍において気化して可燃混合気を形
成する。こうして形成された可燃混合気は、点火プラグ
６と確実に接触しているために、良好な着火性を有して
いる。すなわち、点火時点での良好な混合気状態が確保
される。

【００１５】次いで、点火時期となって点火プラグ６が
可燃混合気を着火すると同時に又は点火直後に、突出部
１０は気筒上部壁内へ引っ込められる。もし、このよう
な突出部が、膨張行程において、突出したままである
と、可燃混合気が気筒内全体へ膨張して火炎が伝播する
ことを阻害するだけでなく、火炎を冷却するために、突
出部１０近傍の燃焼速度が低下して良好な燃焼が実現不
可能となる。これに対して、本実施形態では、膨張行程
において、突出部１０は引っ込められているために、可
燃混合気の膨張及び火炎伝播が阻害されることなく、火
炎の冷却損失も防止されるために、燃焼速度の早い良好
な成層燃焼を実現することができる。このように、ピス
トン頂面に形成されたキャビティを利用することなく点
火プラグ６近傍に可燃混合気を形成することは、ピスト
ン位置に係わらずに燃料噴射が可能となるために、すな
わち、圧縮行程前半からの燃料噴射も可能となり、成層
燃焼運転領域を高回転側へ拡大するのに有利である。

【００１６】図３は、突出部１０を引っ込め可能とする
構造を示す突出部近傍の拡大断面図である。図３に示す
ように、突出部１０の上端中央は、突出部１０の厚さよ
り大きな直径の円形断面を有する操作軸１１に連結され
ている。気筒上部壁には、突出部１０の突出位置におい
て、操作軸１１が当接するように終端する操作軸１１の
摺動穴部１２が形成されて、また、突出部１０を引っ込
め可能とするように、突出部１０の形状に対応する細長
穴１３が形成されている。操作軸１１は、突出部１０の
引っ込み位置において、摺動穴部１２から外部へ延在す
る長さを有している。図３は、突出部１０の引っ込み位
置を示しており、同図に示すように、摺動穴部１２の下
側部は、細長穴１３と交差して、突出部１０の引っ込み
を可能としている。

【００１７】操作軸１１は、スプリング１４によって常
に下方へ付勢されている。１５は、スプリング１４によ
る付勢に逆らって操作軸１１を上方へ引き上げるソレノ
イドである。こうして、ソレノイド１５を励磁すること
により、操作軸１１を介して突出部１０を気筒上部壁内
へ引っ込めることができ、また、ソレノイド１５の励磁
を解除することにより、スプリング１４の押圧力によっ
て、操作軸１１を介して突出部１０を気筒内へ突出させ
ることができる。

【００１８】操作軸１１には、操作軸１１の位置に係わ
らずに常に摺動穴部１２の上側部分と接触するＯリング
等の気密シール部材１６が配置されている。この気密シ
ール部材１６は、突出部１０を収納する細長穴１３及び
操作軸１１の摺動穴部１２を介して、気筒内から高圧の
燃焼ガスが漏れることを防止するためのものである。本
実施形態では、この漏れを確実に防止するために、三つ
の気密シール部材１６が設けられている。

【００１９】本実施形態において、突出部１０は点火プ
ラグ近傍に位置するために、操作軸１１を引き上げるた
めのソレノイド１５等が、点火プラグ６の取り付け穴６
ａに干渉することがある。それにより、ソレノイド１５
及びスプリング１４を保持するサポート１７は、点火プ
ラグ６の交換時等のために、容易に取り外し可能とする
ことが好ましい。

【００２０】こうして、本実施形態では、突出部１０
を、少なくとも燃料噴射弁７の燃料噴射中には突出さ
せ、燃料が点火プラグ６近傍を通過することを防止し
て、燃料を点火プラグ６近傍に滞留させることにより、
点火プラグ６近傍に可燃混合気を形成する。この可燃混
合気は、燃料噴射終了から点火時期までの時間で僅かに
拡散したとしても、点火プラグ６と十分に接触して着火
性を確保する。もちろん、燃料噴射弁７の燃料噴射開始
から点火時期まで突出部１０を突出させれば、可燃混合
気はさらに確実に点火プラグ６と接触するために、着火
性をさらに改善するとができる。

【００２１】一方、可燃混合気の着火と同時に突出部１
０を引っ込めて膨張行程中は引っ込めたままとすれば、
突出部１０による火炎の冷却の問題及び可燃混合気の膨
張及び火炎伝播を阻害する問題は良好に解決されるが、
これらの問題は、特に、気筒内上部での燃焼において顕
著に発生するために、少なくとも膨張行程前半において
突出部１０を引っ込めたままとすれば、成層燃焼を比較
的良好にすることが可能である。

【００２２】また、排気行程において突出部１０を突出
させていると、特に吸気ポート側の排気ガスが突出部１
０によって十分に排出されず、排気効率が低下する。そ
れにより、少なくとも排気行程後半及び好ましくは排気
行程中は、突出部１０を引っ込めている方が好ましい。

【００２３】また、吸気行程においては、突出部１０を
突出させていると、吸気ポート１から気筒内へ導入され
る吸気が突出部によってシリンダボアの吸気ポート側に
沿って下方へ向かう気流となり易い。この気流は、次い
で、シリンダボアの排気ポート側を上昇し、気筒内を縦
方向に旋回するタンブル流となる。吸気行程において気
筒内にこのようなタンブル流が生成されると、圧縮行程
後半において気筒内に乱れを発生させ、成層燃焼のため
に点火プラグ近傍に形成した可燃混合気を分散させ易く
なる。それにより、成層燃焼時には、吸気行程中におい
て突出部１０を引っ込めている方が好ましい。

【００２４】本実施形態において、燃料噴射弁７により
吸気行程で燃料を噴射して均質燃焼を実施する場合に
は、吸気行程で生成させるタンブル流は、噴射された燃
料と吸気との混合を促進し、点火時点での混合気の乱れ
は燃焼速度を速めることを可能とするために、少なくと
も吸気行程前半及び好ましくは吸気行程中は、突出部１
０を突出させている方が好ましい。

【００２５】本実施形態において、突出部１０を突出さ
せるのにスプリング１４を使用し、引っ込めるのにソレ
ノイド１５を使用したが、例えば、突出させるのにカム
を使用し、引っ込めるのにスプリングを使用しても良
く、また、突出させるのに圧電素子を使用しても良い。
圧電素子の伸縮量は小さいために、この場合には、作動
油等を介して突出部１０の突出に必要な大きなストロー
クが得られるようにする。これ以外にも流体ピストン等
の比較的大きなストロークが得られるアクチュエータが
使用可能である。

【００２６】図４は、本発明の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図２に相当する平面図で
ある。第一実施形態との違いについて以下に説明する。
本実施形態における燃料噴射弁７１は、夾角の狭い扇状
の燃料を、点火プラグ６の周囲部へ向けて噴射するもの
である。突出部２０は、この扇状燃料噴霧が衝突する円
弧形状部分２０ａを有し、衝突後の燃料を点火プラグ６
方向へ導くと共に、こうして導かれた燃料が点火プラグ
６の脇を通過した後に、矢印で示すように、点火プラグ
６近傍を横方向（気筒が直立している場合において略水
平方向）に旋回するように横旋回速度成分を与える湾曲
部分２０ｂを有している。

【００２７】こうして、圧縮行程後半に噴射された燃料
は、突出部２０によって点火プラグ６近傍を横方向に旋
回しながら十分に吸気と混合し、第一実施形態に比較し
てさらに着火燃焼性に優れた可燃混合気を形成する。そ
れにより、第一実施形態と同様な構成によって第一実施
形態と同時期に突出部２０を突出させ及び引っ込めるこ
とにより、さらに良好な成層燃焼を実現することが可能
となる。

【００２８】図５は、本発明による筒内噴射式火花点火
内燃機関の第三実施形態を示す図２に相当する平面図で
ある。第一実施形態との違いについて以下に説明する。
本実施形態における燃料噴射弁７２は、夾角の狭い扇状
の燃料を、点火プラグ６の両側周囲部へ向けて二方向に
噴射するものである。突出部３０ａ及び３０ｂは、これ
ら二つの燃料噴霧がそれぞれに衝突するように位置し、
衝突した燃料を矢印で示すように点火プラグ６近傍へ導
くように湾曲している。

【００２９】こうして、圧縮行程後半に噴射された燃料
は、突出部３０ａ及び３０ｂによって点火プラグ６近傍
へ導かれ、第一実施形態に比較して、点火プラグ６近傍
へ導かれるまでの飛行距離が延長しているために吸気と
十分に混合し、さらに着火燃焼性に優れた可燃混合気を
形成する。それにより、第一実施形態と同様な構成によ
って第一実施形態と同時期に突出部３０ａ及び３０ｂを
突出させ及び引っ込めることにより、さらに良好な成層
燃焼を実現することが可能となる。

【００３０】図６は、本発明による筒内噴射式火花点火
内燃機関の第四実施形態を示す図１に相当する概略縦断
面図である。第一実施形態との違いについて以下に説明
する。第一実施形態における突出部１０は、扇状燃料噴
霧の幅方向に湾曲する円弧形状であったが、本実施形態
における突出部４０は、扇状燃料噴霧の厚さ方向に湾曲
する円弧形状である。それにより、圧縮行程後半に噴射
された燃料は、突出部４０との衝突によって縦方向（気
筒が直立している場合において略垂直方向）に旋回する
ように縦旋回速度成分が与えられる。

【００３１】こうして、噴射燃料は、点火プラグ６近傍
を縦方向に旋回しながら十分に吸気と混合し、第一実施
形態に比較してさらに着火燃焼性に優れた可燃混合気を
形成する。それにより、第一実施形態と同時期に突出部
２０を突出させ及び引っ込めることにより、さらに良好
な成層燃焼を実現することが可能となる。

【００３２】図７は、突出部４０を引っ込め可能とする
構造を示す突出部近傍の拡大断面図である。本実施形態
では、突出部４０が縦方向に湾曲しているために、第一
実施形態のような垂直方向の真っ直ぐなストロークによ
って突出部１０を突出させ及び引っ込めることはでき
ず、突出部４０の気筒上部壁内空間４１内に位置する部
分に歯４０ａを形成し、この歯４０ａに噛合する歯車４
２を回転させることによって、突出部４０を突出させ及
び引っ込めることを可能としている。

【００３３】このような構成において、突出部４０にシ
ール部材を設けても良いが、突出部４０にシール部材を
設けることが困難である場合には、気筒上部壁内空間４
１が、厳密には、気筒内と連通状態となる。それによ
り、歯車４２の回転軸を気密シール部材を介して気筒上
部壁内空間４１から外部へ延在させるか、又は、歯車４
２の駆動モータ（図示せず）も気筒上部壁空間４１内に
存在させ、駆動モータの配線を気密シールを介して気筒
上部壁内空間４１から外部へ延在させることとなる。

【００３４】点火プラグ６は、突出部４０の近傍に位置
するために、図７に示すように、点火プラグ６の取り付
け穴が気筒上部壁内空間４１に設けられることがある。
この場合には、気筒上部壁内空間４１は、気密シール４
３及び取り外し可能なカバー４４によって密閉されるこ
とが好ましく、カバー４４及び場合によっては突出部４
０を取り外すことにより点火プラグ６の交換が可能とな
る。気筒上部壁内空間４１は、一般的に、大気が密閉さ
れると共に、突出部４０と気筒上部壁との隙間は僅かで
あるために、気筒内が高圧となっても多量の燃焼ガスが
気筒上部壁内空間４１へ流入するようなことはない。

【００３５】図８は、本発明による筒内噴射式火花点火
内燃機関の第五実施形態を示す図１に相当する概略縦断
面図であり、図９は、図８の筒内噴射式火花点火内燃機
関のシリンダヘッドの平面図である。第一実施形態との
違いについて以下に説明する。本実施形態における突出
部４０は、燃料噴射弁７から噴射される扇状燃料噴霧に
対向する平らな形状を有している。このような平らな形
状でも、突出部５０は、燃料噴霧が点火プラグ６近傍を
通過することを防止して、衝突する燃料を点火プラグ６
近傍に滞留させることにより、点火プラグ６近傍に着火
性の良好な可燃混合気を形成し、第一実施形態と同時期
に突出部２０を突出させ及び引っ込めることにより、良
好な成層燃焼を実現することが可能となる。

【００３６】本実施形態における突出部５０は、燃料噴
射弁７の反対側へ向けての回動可倒式であり、図１０に
実線で示すような最も突出角度の大きな最大突出位置又
は図１０に一点鎖線Ｃで示すような気筒上部壁側への引
っ込み位置とするだけでなく、突出角度が任意に設定可
能であるために、例えば、図１０に一点鎖線Ａで示すよ
うな突出角度が比較的大きな突出位置又は図１０に一点
鎖線Ｂで示すような突出角度が比較的小さな突出位置と
することもできる。

【００３７】成層燃焼時において、機関負荷が低い時に
は、最大突出位置とすることにより、圧縮行程後半で噴
射された燃料の全てを点火プラグ６近傍に滞留させ、燃
料噴射量が非常に少なくても着火性の非常に良好な可燃
混合気を点火プラグ６近傍に形成することが可能とな
る。機関負荷が高まって燃料噴射量が増量されると、あ
まり点火プラグ６近傍に燃料を集中させ過ぎると、形成
される混合気が濃厚となって返って着火性が悪化するこ
とがある。それにより、突出部５０は、最大突出角度よ
りは小さい比較的大きな突出角度（Ａ）とされ、突出部
５０と燃料との衝突位置を点火プラグ６から多少離間さ
せることにより、燃料の多少の拡散が許容され、点火プ
ラグ６近傍に形成される可燃混合気の着火性を非常に良
好なものとすることができる。

【００３８】また、機関負荷がさらに高まってさらに燃
料噴射量が増量されると、さらに燃料を拡散させない
と、混合気が濃厚となって着火性が悪化するために、突
出部５０は、比較的小さな突出角度（Ｂ）とされ、突出
部５０と燃料との衝突位置を点火プラグ６からさらに離
間させることにより、さらなる燃料の拡散が許容され、
点火プラグ６近傍に形成される可燃混合気の着火性を非
常に良好なものとすることができる。このように、本実
施形態では、成層燃焼時において、燃料噴射量に応じた
最適な可燃混合気形成が可能となる。

【００３９】本実施形態において、突出部５０の回動動
作は、突出部５０に連結されて外部へ気密に延在する回
動軸５０ａをステップモータ等のアクチュエータによっ
て回動することによってもたらされる。突出部５０の回
動動作を、圧縮行程において突出させて膨張行程におい
て引っ込めるだけに単純化すれば、一方の気筒の圧縮行
程時に排気行程となっている他方の気筒の回動軸５０ａ
を互いに連結して一つのアクチュエータを接続すること
も可能である。この場合には、他方の気筒においては、
排気行程時において突出部が突出し、吸気行程時におい
て突出部が引っ込められることとなる。

【００４０】図１１は、本発明による筒内噴射式火花点
火内燃機関の第六実施形態を示す図１に相当する概略縦
断面図であり、図１２は図１１の筒内噴射式火花点火内
燃機関のピストンの平面図である。本実施形態の筒内噴
射式火花点火内燃機関は、これまで説明したものと異な
り、成層燃焼を実現するために、燃料噴射弁７３は、圧
縮行程後半において、ピストン５１に形成されたキャビ
ティ８１内へ厚さの薄い略扇形状で燃料を噴射するもの
である。

【００４１】ピストン５１頂面に形成されたキャビティ
８１は、底壁８１ａと燃料噴射弁７３に対向する対向側
壁８１ｂとを有している。キャビティ８１内に噴射され
た燃料は、噴射直後において液状であるが、キャビティ
８１の底壁８１ａに衝突した後に底壁８１ａに沿って進
行して幅方向に拡がる際に底壁８１ａの広範囲部分から
熱吸収するために気化し易い。こうして気化しつつある
燃料は、対向側壁８１ｂによって上方向に偏向される。

【００４２】図１２に示すように、対向側壁８１ｂは平
面視において円弧形状を有しており、平面視において、
燃料噴射弁７３の噴孔から対向側壁８１ｂまでの距離
は、対向側壁８１ｂの円弧形状の半径より大きくされて
いる。それにより、キャビティ８１の底壁８１ａ上を進
行して幅方向に拡がった燃料において、幅方向における
燃料中央部分は、対向側壁８１ｂの中央部に沿って上方
向の速度成分だけが付与されるが、幅方向における燃料
両側部分は、対向側壁８１ｂに対してそれぞれ鋭角度に
衝突することとなり、中央方向の速度成分も付与され
る。

【００４３】こうして、キャビティ８１の底壁８１ａ上
を進行して気化しつつある燃料各部分は、対向側壁８１
ｂ上を進行する際にさらに熱吸収して完全に気化し、点
火時点において、点火プラグ６近傍に集合して一塊の着
火性の良好な可燃混合気となる。

【００４４】このように、点火プラグ６近傍に可燃混合
気を形成するためには、ピストン頂面に形成されたキャ
ビティ８１の対向側壁８１ｂは、気筒上部略中心に位置
する点火プラグ６の下側近傍に位置していなければなら
ず、必然的に、キャビティは、ピストン頂面に偏在（本
実施形態では吸気ポート１側へ）することとなる。それ
により、ピストン頂面のキャビティが存在しない面積部
分は、図１１に一点鎖線で示すように、ピストン５１が
さらに上昇して圧縮行程末期となると、気筒上部壁とで
スキッシュエリアを形成し、矢印で示すように、気筒周
囲部から点火プラグ６近傍へ向かうスキッシュ流を発生
させることがある。

【００４５】このスキッシュ流は、点火プラグ６近傍に
形成された可燃混合気を点火時点において分散させるた
めに、このままでは良好な成層燃焼を実現することはで
きない。本実施形態では、第一実施形態と同様な突出部
６０が、圧縮行程において、少なくともスキッシュ流が
発生する以前に突出しており、スキッシュ流による可燃
混合気の分散を問題を防止するようになっている。それ
により、点火時点における混合気状態は良好となる。突
出部６０は、少なくとも膨張行程前半では引っ込められ
ており、好ましくは、可燃混合気の着火と同時又は着火
直後に引っ込められ、前述同様に、可燃混合気の膨張及
び火炎伝播を阻害することなく火炎冷却も防止され、良
好な成層燃焼を実現することができる。

【００４６】図１３は、本発明による筒内噴射式火花点
火内燃機関の第七実施形態を示す概略縦断面図であり、
図１４は図１３の筒内噴射式火花点火内燃機関のシリン
ダヘッドの平面図である。本実施形態の筒内噴射式火花
点火内燃機関は、第六実施形態と同様に、成層燃焼を実
施する際には、圧縮行程後半においてピストン５１の頂
面に形成されたキャビティ８１内へ厚さの薄い略扇形状
で燃料を噴射するものである。また、特に、必要燃料が
多量となる機関高負荷時及び安定した燃焼を必要とする
機関始動時等には、図１３に示すように、吸気行程で燃
料を噴射して均質燃焼を実施するようになっている。

【００４７】良好な均質燃焼を実現するためには、十分
に均質化された混合気を形成すると共に、均質混合気に
乱れを発生させて燃焼速度を速めることが重要である。
そのためには、本実施形態のように、吸気ポート１の気
筒内開口部回りの少なくとも排気ポート２側に突出部７
０を設けて、吸気ポート１から導入される吸気をシリン
ダボアの吸気ポート側を沿わせて下降させることによ
り、吸気は次いでシリンダボアの排気ポート側を上昇
し、こうして、吸気に気筒内を縦方向に旋回する速度成
分を与えてタンブル流を発生させることが有効である。

【００４８】このようなタンブル流によって、気筒内へ
噴射された燃料は微粒化されると共に吸気と十分に混合
され、良好な均質混合気を形成することができ、また、
タンブル流は圧縮行程においても持続して均質混合気に
乱れを発生させる。こうして、突出部７０は、吸気行程
においてタンブル流を発生させ、均質燃焼に際して点火
時点における混合気状態を良好にすることを可能とす
る。

【００４９】しかしながら、均質燃焼時においても成層
燃焼時と同様に、点火プラグ６近傍に位置することとな
る突出部７０は、膨張行程における火炎伝播を阻害する
と共に火炎を冷却することとなるために、本実施形態で
は、突出部７０は、少なくとも膨張行程前半では引っ込
められており、好ましくは、均質混合気の着火と同時又
は着火直後に引っ込められ、火炎伝播を阻害することな
く火炎冷却も防止して、良好な均質燃焼を実現すること
を可能としている。

【００５０】突出部７０を突出させ及び引っ込めるため
の構造は、第一実施形態と同様な構造が利用可能であ
る。ところで、突出部７０を、吸気弁開弁中に渡り突出
させることで、発生するタンブル流は強いものとなり、
燃料の霧化混合及び均質混合気における乱れ発生に有利
である。しかしながら、吸気導入中において、突出部
は、一方で抵抗となり、すなわち、充填効率を低下させ
る。それにより、機関高回転時等のように燃焼に多量の
吸気が必要な場合には、吸気弁の開弁から吸気行程の前
半だけ突出部７０を突出させて充填効率の低下を抑制す
るようになっている。

【００５１】すなわち、本実施形態においては、均質燃
焼に際して、突出部７０は、排気行程中には排気効率の
低下を防止するために気筒上部壁内へ引っ込められてい
て、機関回転数に係わらずに吸気弁１の開弁と同時に突
出させられるが、機関回転数が高いほど、早く引っ込め
られて小さなクランク角度範囲でだけ突出されたままと
される。もちろん、機関回転数に係わらずに吸気弁１の
閉弁と同時に引っ込められるようにし、機関回転数が高
いほど、後に突出するようにして小さなクランク角度範
囲だけ突出されたままとするようにしても良い。また、
突出時期及び引っ込め時期を特に規定することなく、突
出部７０は、機関回転数が高いほど、吸気弁の開弁中に
おける小さなクランク角度範囲でだけ突出させるように
しても良い。こうして、多量の吸気が必要な時には、充
填効率の低下を十分に抑制することが可能となる。

【００５２】また、本実施形態において、第四実施形態
のような機構を使用すれば、突出部７０の突出長さを変
化させることが可能である。この場合には、機関回転数
に応じて前述のように突出部の突出期間を変化させるこ
とに加えて又は代えて、機関回転数が高いほど突出部の
突出長さを短くするようにしても良い。このようにして
も、吸気導入に際しての突出部の抵抗を小さくして充填
効率の低下を抑制することができる。本実施形態におい
て、機関負荷が高いほど燃焼に必要な吸気量が増加する
ために、機関回転数だけでなく機関負荷が高いほど、突
出部の突出クランク角度範囲を小さくする及び突出長さ
を短くすることの少なくとも一方を実施するようにして
も良い。

【００５３】

【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、点火時点での混合気状態を良好にするために気筒上
部壁から下方へ突出する突出部とを具備し、突出部は、
少なくとも膨張行程前半において気筒上部壁側へ引っ込
められている。それにより、突出された突出部によって
点火時点での混合気状態が良好にされると共に、膨張行
程前半において引っ込められた突出部は、着火後におい
て火炎伝播を阻害することなく、火炎の冷却をもたらす
こともないために、燃焼速度の速い良好な燃焼を実現す
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のシリンダヘッドの平面図である。

【図３】図１の突出部近傍のおける拡大断面図である。

【図４】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第
二実施形態を示す図２に相当する平面図である。

【図５】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第
三実施形態を示す図２に相当する平面図である。

【図６】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第
四実施形態を示す図１に相当する断面図である。

【図７】図６の突出部近傍のおける拡大断面図である。

【図８】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第
五実施形態を示す図１に相当する断面図である。

【図９】図８のシリンダヘッドの平面図である。

【図１０】図８の突出部近傍のおける拡大図である。

【図１１】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の
第六実施形態を示す図１に相当する断面図である。

【図１２】図１１のピストンの平面図である。

【図１３】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の
第七実施形態を示す概略縦断面図である。

【図１４】図１３のシリンダヘッドの平面図である。

【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 ５，５１…ピストン ６…点火プラグ ７，７１，７２，７３…燃料噴射弁 ８１…キャビティ １０，２０，３０，４０，５０，６０，７０…突出部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｐ 13/00 ３０３ Ｆ０２Ｐ 13/00 ３０３Ａ (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 佐々木 智恵美 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 鈴木 久雄 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 AA07 AA08 AA09 AB07 KA12 KA15 KA22 3G023 AA01 AB03 AC05 AD01 AD06 AD09 AD29 AG01

Claims (7)

【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、点火時
   点での混合気状態を良好にするために前記気筒上部壁か
   ら下方へ突出する突出部とを具備し、前記突出部は、少
   なくとも膨張行程前半において前記気筒上部壁側へ引っ
   込め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】 前記燃料噴射弁は、吸気行程において燃
   料を噴射するものであり、前記突出部は、吸気弁開弁中
   における設定クランク角度範囲で突出して、気筒内にタ
   ンブル流を発生させ、機関回転数が高い時には、前記機
   関回転数が低い時に比較して、前記設定クランク角度範
   囲が小さくされるか又は前記突出部の突出長さが小さく
   され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】 前記燃料噴射弁は、圧縮行程において燃
   料を噴射するものであり、前記突出部は、少なくとも前
   記燃料噴射弁の燃料噴射中には突出して前記燃料噴射弁
   から噴射された燃料を前記点火プラグ近傍に着火可能に
   滞留させ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。
4. 【請求項４】 前記突出部は、前記燃料噴射弁から噴射
   された燃料へ旋回速度成分を与え、前記燃料を点火プラ
   グ近傍に着火可能に滞留させることを特徴とする請求項
   ３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
5. 【請求項５】 前記燃料噴射弁は、圧縮行程において複
   数の方向に燃料を噴射するものであり、複数の前記突出
   部が、複数の方向に噴射された前記燃料のそれぞれに対
   応して前記点火プラグの周囲に設けられていることを特
   徴とする請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機
   関。
6. 【請求項６】 前記突出部は、前記燃料へ横旋回速度成
   分を与えることを特徴とする請求項４又は５に記載の筒
   内噴射式火花点火内燃機関。
7. 【請求項７】 前記突出部は、回動可倒式であり、前記
   燃料噴射弁からの燃料噴射量が少ない時には、前記燃料
   噴射量が多い時に比較して、前記突出部の突出角度は大
   きくされ、前記点火プラグのより近くに前記燃料を滞留
   させることを特徴とする請求項３に記載の筒内噴射式火
   花点火内燃機関。