JP2002295261A

JP2002295261A - 火花点火式直噴エンジン

Info

Publication number: JP2002295261A
Application number: JP2001099221A
Authority: JP
Inventors: Takehiko Yasuoka; 剛彦安岡; Fumihiko Saito; 史彦斉藤; Muneyuki Oota; 統之太田; Hiroyuki Yamashita; 洋幸山下; Masakazu Matsumoto; 正和松本; Masashi Maruhara; 正志丸原; Suketoshi Seto; 祐利瀬戸; Hiroyuki Yoshida; 浩之吉田
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2002-10-09

Abstract

(57)【要約】【課題】成層燃焼時に燃料噴霧とタンブルとを衝突させ
て点火プラグ周りに可燃混合気を滞留させるようにし、
特に点火プラグによって着火可能な期間を大幅に増大さ
せ、ロバスト性を向上する【解決手段】タンブル流Ｔが時計方向に回る方向から見
た断面で、燃焼室天井部の中央部分に点火プラグ１１
を、周縁部に燃料噴射弁１２を配設し、成層燃焼運転時
に上記タンブル流に対向させて燃料を噴射させるように
する。特に、上記断面で、ピストン冠面に形成された凹
部１５内の右側に、左側と比べて底面が高くなった棚部
１５ｂからなるタンブル案内部を形成し、この棚部１５
ｂに沿って右側から左側へ向かうタンブル流と燃料噴霧
とが互いに略正対する方向から衝突するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼室に直接燃料
を噴射する燃料噴射弁を備えた火花点火式直噴エンジン
に関し、より詳しくは、成層燃焼運転時にタンブル流を
利用して点火プラグ周りに可燃混合気を成層化するよう
にした構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、火花点火式エンジンにおい
て、燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を設け、低
回転低負荷側の運転領域では空燃比をリーンとするとと
もに燃料噴射弁から圧縮行程で燃料を噴射することによ
り点火プラグ周りに混合気を偏在させて成層燃焼を行わ
せ、これにより燃費改善を図るようにした火花点火式直
噴エンジンは知られている。この種エンジンにおいて成
層化促進のためピストン冠面の形状を工夫したものも種
々提案されている。

【０００３】例えば、ピストンのシリンダ中心からオフ
セットした位置に深く窪んだキャビティを設け、上記燃
料噴射弁からこのキャビティに向けて燃料を噴射し、噴
霧がキャビティの壁面に衝突してから点火プラグ周りへ
向かうようにしたものがある。

【０００４】また、例えば特開２０００−１２０４４０
号公報に示されるように、燃焼室内にタンブル流を生成
するように吸気系を構成するとともに、ピストンの冠面
に、吸気弁配置側の円弧状凹部と排気弁配置側の円弧状
凹部とが中央突起部を境にして隣接する断面ω状の凹部
を形成し、燃焼室周縁部に配設した燃料噴射弁から吸気
弁配置側の円弧状凹部に向けて燃料を噴射するととも
に、タンブルがピストンの冠面上で排気弁配置側の円弧
状凹部に沿って移動するようにし、燃料噴霧およびタン
ブルが中央突起部に案内されて上方に向かうことによ
り、燃料噴霧がタンブルと合流しつつ燃焼室中央部上方
の点火プラグ方向に輸送されるようにした構造も知られ
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ピスト
ンのシリンダ中心からオフセットした位置に深く窪んだ
キャビティを設けてその壁面に噴霧を衝突させるように
した構造では、成層燃焼運転時における燃料噴射時期
（圧縮行程後期）には上記キャビティの壁面は点火プラ
グに近い位置となり、着火後もピストンが上死点に近い
燃焼初期にはキャビティ壁面と点火プラグとの距離が近
いため、キャビティ壁面が火炎伝播を阻害し易い。さら
に、キャビティ壁面に燃料が付着することにより、ＨＣ
排出量が増加し易い。

【０００６】また、上記特開２０００−１２０４４０号
公報に記載されているような断面ω状の凹部をピストン
冠面に形成した構造では、吸気弁配置側の円弧状凹部と
排気弁配置側の円弧状凹部の各壁面で燃料噴霧とタンブ
ルとがそれぞれ燃焼室中央部上方へ向けて案内されるた
め、点火プラグ方向への混合気輸送作用は高められるも
のの、混合気がタンブルに乗って比較的速く移動し、短
時間で点火プラグ付近を通過してしまうため、点火プラ
グ周りに可燃混合気が滞留する期間（点火プラグによっ
て混合気に着火可能な期間）が極めて短く、噴射時期お
よび点火時期の調整自由度が低い。さらに、断面ω状の
凹部の中央突起部が燃焼初期の火炎伝播を阻害し易く、
また、吸気弁配置側の円弧状凹部の壁面に噴射燃料が付
着し易いといった問題もある。

【０００７】そこで本願の発明者は、燃焼室内でタンブ
ル流に対して燃料噴霧を略正対する方向から衝突させる
ことにより、燃料噴射弁から噴射された燃料の気化、霧
化を促進するとともに、燃料噴霧をタンブル流で減速し
つつ空気と混合させて、可燃混合気を浮遊物として点火
プラグ周りに滞留させるようにすることを考え出した。
その構造の一例を参考例として図９、図１０に示す。

【０００８】この図９、図１０に示す構造は、燃焼室１
０５の中央部に点火プラグ１１１、周縁部に燃料噴射弁
１１２が配置されるとともに、ピストン１０４の冠面に
凹部１１５が形成され、この凹部１１５内でタンブル流
Ｔと燃料噴霧が互いに略正対する方向から衝突するよう
になっている。すなわち、これらの図に示す断面で、燃
焼室天井部の右側に吸気ポート１０７、左側に排気ポー
ト１０８が位置し、燃焼室１０５内に時計方向に旋回す
るタンブル流Ｔが生成され、燃焼室１０５の中央部に点
火プラグ１１１、左側（吸気ポート側）の周縁部に燃料
噴射弁１１２が配置され、また、ピストン冠面に形成さ
れた凹部１１５は、底面がシリンダ軸線Ｚ付近で最も低
くて、滑らかに湾曲した形状となっている。そして、成
層燃焼運転時に上記凹部１１５内でタンブル流Ｔ（特に
後記タンブル正流）と燃料噴霧とが互いに略正対する方
向から衝突するようになっている。

【０００９】このようにすると、上記の特開２０００−
１２０４４０号公報等に示されるような従来技術と比
べ、燃焼初期の火炎伝播を阻害するようなことがなく、
かつ、凹部壁面への燃料付着が少なくなるとともに、タ
ンブル流との衝突により燃料の微粒化が促進される。さ
らに、燃料噴霧がタンブル流Ｔと略正対する方向からぶ
つかり合うことにより減速され、燃料噴霧と空気とが混
合した可燃混合気が燃焼室中央部付近に漂う状態となる
ので、燃料噴霧がタンブルに乗って輸送されるようにな
っている従来技術よりも、点火プラグ周りに可燃混合気
が滞留する期間を増大させることが期待できる。

【００１０】ただし、凹部１１５の底面を単に滑らかに
湾曲した形状とするだけでは、燃料噴霧がある程度の広
がりをもつのに対してタンブル正流Ｔｍは凹部１１５の
底面に沿って流れるので、図１０に示すように、タンブ
ル正流Ｔｍが燃料噴霧Ｆの下側にもぐり込み、燃料噴霧
Ｆはタンブル正流Ｔｍの上に乗り上げるような状態とな
って、燃焼室内を漂いながらも右方（白抜き矢印の方
向）へ移動する傾向が生じる。そして、二点鎖線で示す
程度まで流されると可燃混合気が点火プラグの点火ポイ
ントＩｇからずれて着火困難となる。

【００１１】従って、点火プラグによって着火可能な期
間をより増大させてロバスト性（点火時期をある程度変
化させても燃焼安定性が損なわれないような許容性）を
向上するためには、改善の余地が残されている。

【００１２】本発明はこのような点に鑑み、成層燃焼時
に燃料噴射弁から噴射された燃料の噴霧とタンブル流と
を互いに略正対する方向から衝突させて点火プラグ周り
に可燃混合気を滞留させるようにし、特に点火プラグに
よって着火可能な期間を大幅に増大させ、ロバスト性を
向上することができる火花点火式直噴エンジンを提供す
るものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、燃焼室内にタ
ンブル流を生成するように吸気系を構成するとともに、
タンブル流が時計方向に回る方向から見た断面で、燃焼
室天井部の中央部分が周縁部より高く形成され、この中
央部分に点火プラグを、周縁部に燃料噴射弁を配設し、
成層燃焼運転時に上記タンブル流に対向させて燃料を噴
射させ、点火時点で点火プラグ周りに可燃混合気を成層
化させる火花点火式直噴エンジンにおいて、上記断面
で、ピストン冠面に形成された凹部内の右側に、点火プ
ラグ下方の位置で燃料噴霧の上方側にタンブル流を略正
対する方向から衝突させるようにタンブル流を案内する
タンブル流案内部を設けたものである。

【００１４】また、本発明は、燃焼室内にタンブル流を
生成するように吸気系を構成するとともに、タンブル流
が時計方向に回る方向から見た断面で、燃焼室天井部の
中央部分が周縁部より高く形成され、この中央部分に点
火プラグを、周縁部に燃料噴射弁を配設し、成層燃焼運
転時に上記タンブル流に対向させて燃料を噴射させ、点
火時点で点火プラグ周りに可燃混合気を成層化させる火
花点火式直噴エンジンにおいて、上記断面で、ピストン
冠面に形成された凹部内の所定部位より右側に、この部
位の左側と比べて底面が高くなった棚部からなるタンブ
ル案内部を形成し、この棚部に沿って右側から左側へ向
かうタンブル流と燃料噴霧とが互いに略正対する方向か
ら衝突するようにしたものである。

【００１５】このような構成によると、燃料噴射弁から
圧縮行程で燃料が噴射されて成層燃焼が行われるとき、
ピストン冠面で形成された凹部内で燃料噴霧とタンブル
流とが互いに略正対する方向から衝突することにより、
燃料の微粒化が促進されるとともに、燃料噴霧と空気と
が混合した可燃混合気が燃焼中央部の点火プラグ周りに
成層化される。この場合、燃料噴霧がタンブルとぶつか
り合うことで減速されて燃焼室中央部付近に漂う状態と
なるので、噴霧がタンブルに乗って輸送されるような従
来技術（特開２０００−１２０４４０号公報）と比べ、
点火プラグ周りに混合気が滞留する時間が長くなる。

【００１６】特に、凹部内のタンブル案内部に案内され
たタンブル流が燃料噴霧の上方側に衝突することによ
り、燃料噴霧がタンブル流との衝突で減速されつつ上方
へ浮遊して可燃混合気層が上下方向に延び、可燃混合気
が点火プラグ周りに滞留する時間がより一層長くなる。
このため、噴射時期および点火時期の調整自由度が高め
られつつ、安定した着火、燃焼が行われる。

【００１７】本発明において、上記棚部は、上記断面
で、底面左端延長方向がシリンダ軸線と直角な水平面に
対して略平行ないし緩やかな左下がりとなるように形成
しておくことにより、タンブルを燃料噴霧の上方側に略
正対する方向から衝突させるように案内することとな
る。

【００１８】また、上記断面で、上記棚部の底面左端の
位置はシリンダ軸線よりも右側で、かつ、ピストン上死
点位置において点火プラグ先端より下方に設定すること
が好ましい。このようにすれば、棚部の底面左端のエッ
ジ部分が燃焼初期の火炎伝播を阻害するようなことがな
い。

【００１９】また、上記凹部のうち上記断面でシリンダ
軸線より左側となる部分の容積を、上記断面でシリンダ
軸線より右側となる部分の容積より大きくすることが好
ましい。このようにすると、後に詳述するように圧縮行
程におけるタンブル流の減衰抑制（タンブル流の保存性
の確保）に有利となる。

【００２０】また、平面視で上記左右方向を長軸、これ
に直交する方向を短軸とする略楕円形状に凹部開口を形
成し、ピストン冠面上における上記凹部開口の短軸方向
両側外周に、上記短軸方向の燃料噴霧の拡散を制限する
スキッシュエリアを形成することが好ましい。

【００２１】このようにすると圧縮行程後期に上記スキ
ッシュエリアから凹部に向かうスキッシュ流で燃料噴霧
の拡散が制限されて、成層化が良好に行われるととも
に、燃料噴霧がタンブルおよびスキッシュ流でガイドさ
れるため燃料の壁面付着量が減少してＨＣ排出量が低減
される。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。

【００２３】図１は、本発明に一実施形態による火花点
火式直噴エンジンの主要部の構造を示し、この図におい
て、エンジンは、複数の気筒１が配設されたシリンダブ
ロック２と、このシリンダブロック２上に配置されたシ
リンダヘッド３とを有し、各気筒内にはピストン４が上
下方向に往復動可能に嵌挿されていて、そのピストン４
とシリンダヘッド３との間に燃焼室５が形成されてい
る。上記ピストン４は、シリンダブロック２の下方に配
置されたクランク軸（図示せず）にコネクティングロッ
ド６を介して連結されている。

【００２４】各気筒１の燃焼室５は、図１に示す断面で
天井部の中央部分が周縁部より高く形成され、より具体
的には中央部分からシリンダヘッドの下端まで延びる２
つの傾斜面で天井部が構成された所謂ペントルーフ型と
なっている。この燃焼室５の天井部を構成する２つの傾
斜面には吸気ポート７及び排気ポート８がそれぞれ２つ
ずつ（図面では１つずつのみを示す）開口し、各ポート
７，８の開口端に吸気弁９及び排気弁１０が設けられて
おり、図外の動弁機構により吸気弁９及び排気弁１０が
それぞれ各気筒毎に所定のタイミングで開閉作動される
ようになっている。

【００２５】上記燃焼室５の中央部の上方には、上記４
つの吸排気弁に取り囲まれるように点火プラグ１１が配
置されており、この点火プラグ１１の先端が上記天井部
から燃焼室５内に突出している。また、燃焼室５の周縁
部には、２つの吸気ポート７に挟まれるように燃料噴射
弁１２が配置され、この燃料噴射弁１２から燃焼室５内
に直接燃料が噴射されるようになっている。なお、この
燃料噴射弁１２は、噴霧角が７０°以下の噴射ノズルを
備えている。

【００２６】上記燃料噴射弁１２からの燃料噴射は図外
のコントロールユニットにより運転状態に応じて制御さ
れ、例えば低速低負荷側の運転領域が成層領域とされ
て、この成層領域では空燃比が理論空燃比よりも大きい
リーン状態となるように吸入空気量の制御と併せて燃料
噴射量の制御が行われ、かつ、燃料噴射時期が圧縮行程
後期とされる。

【００２７】上記吸気ポート７は燃焼室５から斜め上方
に延びており、吸気ポート７の上流側の吸気通路１３に
はタンブル調節弁１４が設けられている。そして、上記
吸気ポート７から燃焼室５内に流入する吸気により燃焼
室５内にタンブル流Ｔが生成され、上記タンブル調節弁
１４の開度に応じてタンブル流Ｔの強さが調節されるよ
うになっている。そして、図外のコントロールユニット
により、少なくともこの成層領域で強いタンブル流Ｔが
生成されるように、タンブル調節弁１４が運転状態に応
じて制御される。

【００２８】上記燃料噴射弁１２からの燃料噴射方向は
燃焼室５内のタンブル流Ｔに対向するように設定されて
いる。すなわち、図１に示す断面では燃焼室５の左側に
吸気ポート７、右側に排気ポート８が位置し、タンブル
流Ｔは矢印のように時計方向に旋回するが、このような
断面において燃焼室５の左側に位置する燃料噴射弁１２
から斜め右下方に向けて燃料が噴射され、後記タンブル
正流Ｔｍに対向するように燃料噴射方向が設定されてい
る。

【００２９】また、上記ピストン４の冠面には、図２及
び図３にも示すように、凹部１５が形成されている。タ
ンブル流Ｔが時計方向に回る方向から見た断面（図１及
び図２に示す断面）で、凹部１５の開口がシリンダ軸線
Ｚを挟んで左右両方に略同等に広がり、つまりシリンダ
軸線Ｚから凹部１５の左端までの距離と凹部１５の右端
までの距離が略同じとされている。そして、平面視では
図３のように、上記凹部１５の開口が、燃料噴射弁１２
による燃料噴射方向（燃料噴霧の中心線の延びる方向）
である左右方向を長軸、これと直交する方向を短軸とす
る略楕円形状に形成されている。

【００３０】上記断面で凹部１５内の右側には、点火プ
ラグ下方の位置で燃料噴霧の上方側にタンブル流を略正
対する方向から衝突させるようにタンブル流を案内する
タンブル流案内部が設けられている。

【００３１】この凹部１５の形状をより具体的に説明す
ると、凹部１５には、上記断面で所定部位より左側に、
冠面から比較的深く凹陥した噴霧導入用の凹陥部１５ａ
が形成されるとともに、上記所定部位より右側に、凹陥
部１５ａより所定量だけ底面が高くなった棚部１５ｂが
設けられ、この棚部１５ｂにより上記タンブル流案内部
が構成されている。

【００３２】上記棚部１５ｂは、底面左端延長方向がシ
リンダ軸線と直角な水平面と略平行とされ、つまり、凹
部１５の右端近傍から棚部１５ｂの底面左端位置までに
わたって棚部１５ｂの底面が略水平に形成されている。
棚部１５ｂの底面左端の位置は、シリンダ軸線Ｚより右
側で、かつ、ピストン上死点位置において点火プラグ先
端より下方となるように設定されている。そして、この
棚部１５ｂの底面左端と上記凹陥部１５ａの底面とは段
部１５ｃを介して連なっている。棚部１５ｂの底面右端
側は湾曲部分を経てピストン冠面に達している。

【００３３】上記凹陥部１５ａは、凹部１５の右端近傍
から段部１５ｃに連なる位置までにわたって略水平に形
成され、左端側が湾曲部分を経てピストン冠面に達して
いる。

【００３４】なお、上記のように凹部１５が形成される
ことにより、凹部１５のうち上記断面でシリンダ軸線Ｚ
より左側となる部分の容積は、上記断面でシリンダ軸線
Ｚより右側となる部分の容積よりも大きくなっている。

【００３５】また、ピストン冠面上における上記凹部開
口の短軸方向両側の外周側部分１６は、対向する燃焼室
天井部の傾斜面に略平行に沿うような形状とされてい
て、気筒の圧縮上死点前の所定期間、例えばＢＴＤＣ４
０°ＣＡ〜ＴＤＣの期間においてピストン冠面の外周側
部分１６と燃焼室の天井部とにより挟まれる隙間がスキ
ッシュエリアとなるように構成されている。なお、ＴＤ
Ｃは上死点、ＢＴＤＣは上死点前、ＣＡはクランク角を
意味する。

【００３６】以上のような当実施形態の火花点火式直噴
エンジンによると、運転状態が成層領域にあるとき、空
燃比がリーンとされるとともに、燃料噴射弁１２から圧
縮行程後期に燃料が噴射されることにより、成層燃焼が
行われる。

【００３７】この場合に、吸気ポート７から流入した吸
気によって燃焼室５内にタンブル流Ｔが生成され、この
タンブル流Ｔに対向するように燃料が噴射されることに
より、点火プラグ１１周りに可燃混合気が成層化され
る。

【００３８】より具体的に説明すると、図１，図２およ
び図４に示す断面において、タンブル流Ｔは燃焼室上方
部では天井面に沿って左側（吸気弁側）から右側（排気
弁側）へ流れ、右側の燃焼室周辺部では下方へ向かって
流れ、燃焼室下方部ではピストン冠面の凹部１５に沿っ
て右側（排気弁側）から左側（吸気弁側）へ流れ、左側
の燃焼室周辺部では上方（天井面側）へ向かって流れ
る。燃焼室天井面に沿った流れをタンブル順流Ｔｓ、ピ
ストン冠面の凹部１５に沿った流れをタンブル正流Ｔｍ
と呼ぶと、燃料噴射弁１２からはタンブル正流Ｔｍに対
向するように燃料が噴射されることにより、凹部１５内
で燃料噴霧Ｆとタンブル正流Ｔｍとが互いに略正対する
方向から衝突する。このため、凹部壁面への燃料付着が
少なくなるとともに、燃料の微粒化が促進される。さら
に、タンブル正流により燃料噴霧Ｆが減速されつつ空気
と混合し、可燃混合気が燃焼室中央部の点火プラグ１１
周りに漂う状態となる。

【００３９】特に、タンブル流が時計方向に回る方向か
ら見た断面で凹部１５内の左側に凹陥部１５ａ、右側に
棚部１５ｂが形成されて、この棚部１５ｂに沿って流れ
るタンブル正流Ｔｍが、上記凹陥部１５ａの右端側（燃
焼室の中央部付近）に達した燃料噴霧に対し、その最下
部よりもある程度上方の部分に衝突する。これにより、
噴射方向前方側である図４中の右方向への燃料噴霧の流
れがタンブル正流Ｔｍにより確実に押しとどめられる。
そして、燃料噴霧がタンブル正流Ｔｍとの衝突で減速さ
れつつ、図４中に白抜き矢印及び二点鎖線で示すように
上方へ浮遊し、可燃混合気層が上下方向に延び、可燃混
合気が点火プラグ周りに滞留する状態（可燃混合気層内
に点火プラグの点火ポイントＩｇが存在する状態）が長
期間にわたって維持される。

【００４０】このようにして、点火プラグ周りに可燃混
合気が滞留する時間（点火プラグによって混合気に着火
可能な期間）が長くなることにより、噴射時期および点
火時期の調整自由度が高められることとなる。

【００４１】なお、上記棚部１５ｂの底面左端の位置
は、シリンダ軸線Ｚより右側で、かつ、ピストン上死点
位置において点火プラグ先端より下方となるように設定
されているので、着火後の燃焼初期に上記棚部１５ｂの
底面左端エッジ部分が点火プラグに近づきすぎて火炎伝
播を阻害するというようなことはない。

【００４２】当実施形態のように凹部１５を形成するこ
とによる作用、効果を確認するため、当実施形態のもの
と図９、図１０に示すような参考例のものとについて行
った実験に基づくデータを図５及び図６に示す。

【００４３】図５は、本発明の実施形態と上記参考例と
につき、圧縮行程の上死点よりある程度前（ＢＴＤＣ）
から上死点（ＴＤＣ）付近までの期間で、横軸にクラン
ク角をとって、点火プラグ位置での空燃比の変化を示す
ものであり、破線は上記参考例についてのデータ、実線
は本発明の実施形態についてのデータである。また、図
６は、点火時期を種々変化させて、燃焼安定性を調べた
ものであり、破線は上記参考例についてのデータ、実線
は本発明の実施形態についてのデータである。

【００４４】これらの図のように、上記参考例では、燃
料噴霧がタンブル正流に衝突してからこれに乗り上げつ
つ側方へ移動するため（図１０参照）、点火プラグ位置
での空燃比が可燃混合気濃度範囲にある期間ａ１が比較
的短くなり、燃焼安定性を良好に保ち得る点火時期可変
範囲ｂ１も比較的狭くなる。

【００４５】これに対し、本発明の実施形態によると、
燃料噴霧がタンブル正流に衝突してから上下方向に延び
た状態で点火プラグ周りに滞留するため（図４参照）、
参考例と比べ、点火プラグ位置での空燃比が可燃混合気
濃度範囲にある期間ａ２が大幅に長くなり、燃焼安定性
を良好に保ち得る点火時期可変範囲ｂ２も大幅に広くな
る。つまり、点火プラグ周りへの噴霧滞留性、点火時期
の変化に対するロバスト性が高められる。

【００４６】従って、上記点火時期可変範囲ｂ２で運転
状態に応じて点火時期を調節しつつ、良好に成層化を行
わせ、安定した着火、燃焼を行わせることができる。

【００４７】また、当実施形態では、上記凹部開口の短
軸方向両側の外周側部分１６によってスキッシュエリア
が構成され、ピストン上死点の近くにおいて上記短軸方
向両側から凹部１５に向かうスキッシュ流が生じるた
め、このスキッシュ流で噴霧の拡散が抑制されつつ、タ
ンブル流との衝突で噴霧が上下方向に延びる状態となっ
て、点火プラグ周りへの噴霧滞留性、点火時期の変化に
対するロバスト性がより一層高められる。

【００４８】また、上記のような凹部１５の形状は、タ
ンブルの保全性を高めるのにも有利となる。すなわち、
図９，図１０に示す参考例のように凹部１１５がシリン
ダ軸線Ｚに対して略左右対称に湾曲した形状である場
合、ピストンが下死点付近にある圧縮行程初期には、シ
リンダ軸線付近にタンブル中心を有して時計方向に旋回
するタンブルが生じているが、ピストンが上昇して上死
点に近づく圧縮行程中期乃至後期には、ピストンの動き
に伴う燃焼室内の上昇流によりタンブル流（とくに燃焼
室内右側周辺部の下向きの流れ）が阻害され、これによ
りタンブル中心が燃焼室内の右側へずれる。そして、点
火時期付近では大幅なタンブル流の減衰およびタンブル
中心のずれが生じる。

【００４９】これに対し、当実施形態では図１、図２の
ようにピストン４の凹部１５内の右側に底が浅い棚部１
５ｂが設けられるとともに、凹部１５内の左側に底が比
較的深い凹陥部１５ａが設けられ、シリンダ軸線Ｚより
左側の部分の容積がシリンダ軸線Ｚより右側の部分の容
積よりも大きくなっているため、圧縮行程でのピストン
４の上昇に伴う上昇流に対し、燃焼室５内の右側で燃焼
室上方からピストン冠面に向かう流れが上記凹部１５内
で右側に逃げ易くなる。このため、タンブルの減衰およ
びタンブル中心のずれが抑制され、燃料噴射時期にもシ
リンダ軸線付近に中心を有する強いタンブルが維持され
る。そして、このようなタンブルと燃料噴霧との衝突に
より、成層化が良好に行われることとなる。

【００５０】なお、本発明の火花点火式直噴エンジンの
構造は上記実施形態に限定されず、種々変更可能であ
る。

【００５１】例えば、上記実施形態では、タンブル流が
時計方向に回る方向から見た断面で、ピストン４の凹部
１５内の右側に形成された棚部１５ｂは、底面左端延長
方向がシリンダ軸線と直角な水平面と略平行とされてい
るが、図７に示すように、上記断面で底面左端延長方向
が緩やかな左下がりとなるように凹部２５内の棚部２５
ｂを形成してもよい。この実施形態でも、棚部２５ｂの
底面は左側の凹陥部２５ａと比べて高くなっており、棚
部２５ｂの底面左端と上記凹陥部２５ａの底面とが段部
２５ｃを介して連なっている。

【００５２】また、図８に示すように、ピストン４の凹
部３５内の凹陥部３５ａおよび棚部３５ｂは、底面が緩
やかに湾曲した形状であってもよい。この場合も、棚部
３５ｂの底面左端延長方向が水平面と略平行もしくは緩
やかな左下がりとされ、棚部３５ｂの底面左端と上記凹
陥部３５ａの底面とが段部３５ｃを介して連なるように
形成される。

【００５３】これら図７の実施形態や図８の実施形態で
も、成層燃焼時の圧縮行程後期に、棚部に沿って流れる
タンブル正流が、凹陥部内の燃料噴霧に対し、その最下
部よりもある程度上方の部分に衝突することにより、可
燃混合気層が上下方向に延びて、可燃混合気が点火プラ
グ周りに滞留する状態が長期間にわたって維持される等
の作用、効果は、第１の実施形態と同様である。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、成層燃
焼運転時にタンブル流に対向させて燃料を噴射させ、ピ
ストン冠面に形成された凹部内で燃料噴霧とタンブル流
とを衝突させるようにし、とくに、上記凹部内にタンブ
ル流案内部を設け、点火プラグ下方の位置で燃料噴霧の
上方側にタンブル流を略正対する方向から衝突させるよ
うにしているため、燃料噴霧がタンブル流との衝突で減
速されつつ上方へ浮遊して可燃混合気層が上下方向に延
び、可燃混合気が点火プラグ周りに滞留する時間を増大
させることができる。このため、噴射時期および点火時
期の調整自由度を高めることができるとともに、安定し
た着火、燃焼わ行わせることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の火花点火式直噴エンジンの一実施形態
を示す断面図である。

【図２】図１に示すエンジンにおけるピストンの形状を
示す断面図である。

【図３】上記ピストンの平面図である。

【図４】成層燃焼時の燃料噴霧およびタンブル流の状態
を示す説明図である。

【図５】圧縮行程中の所定クランク角期間にわたり、点
火プラグ位置での空燃比の変化を示すグラフである。

【図６】点火時期の変化に対する燃焼安定性の変化を示
すグラフである。

【図７】別の実施形態によるピストンの形状を示す断面
図である。

【図８】さらに別の実施形態によるピストンの形状を示
す断面図である。

【図９】参考例のピストンの形状を示す断面図である。

【図１０】参考例による場合の成層燃焼時の燃料噴霧お
よびタンブル流の状態を示す説明図である。

【符号の説明】

１気筒４ピストン５燃焼室７吸気ポート１１点火プラグ１２燃料噴射弁１５，２５，３５凹部１５ｂ，２５ｂ，３５ｂ棚部ＴタンブルＦ噴霧

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者太田統之広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (72)発明者山下洋幸広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (72)発明者松本正和広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (72)発明者丸原正志広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (72)発明者瀬戸祐利広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (72)発明者吉田浩之広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内Ｆターム(参考） 3G023 AA01 AA07 AB03 AC05 AD02 AD06 AD08 AD09 AG01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼室内にタンブル流を生成するように
吸気系を構成するとともに、タンブル流が時計方向に回
る方向から見た断面で、燃焼室天井部の中央部分に点火
プラグを、周縁部に燃料噴射弁を配設し、成層燃焼運転
時に上記タンブル流に対向させて燃料を噴射させ、点火
時点で点火プラグ周りに可燃混合気を成層化させる火花
点火式直噴エンジンにおいて、上記断面で、ピストン冠
面に形成された凹部内の右側に、点火プラグ下方の位置
で燃料噴霧の上方側にタンブル流を略正対する方向から
衝突させるようにタンブル流を案内するタンブル流案内
部を設けたことを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
【請求項２】燃焼室内にタンブル流を生成するように
吸気系を構成するとともに、タンブル流が時計方向に回
る方向から見た断面で、燃焼室天井部の中央部分が周縁
部より高く形成され、この中央部分に点火プラグを、周
縁部に燃料噴射弁を配設し、成層燃焼運転時に上記タン
ブル流に対向させて燃料を噴射させ、点火時点で点火プ
ラグ周りに可燃混合気を成層化させる火花点火式直噴エ
ンジンにおいて、上記断面で、ピストン冠面に形成され
た凹部内の所定部位より右側に、この部位の左側と比べ
て底面が高くなった棚部からなるタンブル案内部を形成
し、この棚部に沿って右側から左側へ向かうタンブル流
と燃料噴霧とが互いに略正対する方向から衝突するよう
にしたことを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
【請求項３】上記断面で、上記棚部を、その底面左端
延長方向がシリンダ軸線と直角な水平面に対して略平行
ないし緩やかな左下がりとなるように形成したことを特
徴とする請求項１又は２記載の火花点火式直噴エンジ
ン。
【請求項４】上記断面で、上記棚部の底面左端の位置
をシリンダ軸線よりも右側で、かつ、ピストン上死点位
置において点火プラグ先端より下方となるように設定し
たことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の
火花点火式直噴エンジン。
【請求項５】上記凹部のうち上記断面でシリンダ軸線
より左側となる部分の容積を、上記断面でシリンダ軸線
より右側となる部分の容積より大きくしたことを特徴と
する請求項１乃至４のいずれかに記載の火花点火式直噴
エンジン。
【請求項６】平面視で上記左右方向を長軸、これに直
交する方向を短軸とする略楕円形状に凹部開口を形成
し、ピストン冠面上における上記凹部開口の短軸方向両
側外周に、上記短軸方向の燃料噴霧の拡散を制限するス
キッシュエリアを形成したことを特徴とする請求項１乃
至５のいずれかに記載の火花点火式直噴エンジン。