JP2003262129A - 直噴火花点火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】直噴火花点火式内燃機関の性能改善を図るこ
と。 【解決手段】点火プラグ１を燃焼室３の略中心に配設
し、シリンダ中心軸線から偏心させて吸気ポート５を設
ける。吸気ポート５の燃焼室開口部付近に燃料噴射弁４
を俯角θ＝35°±10°で設置し、燃料の噴霧円錐角αが
70°±20°になるようにする。ピストン７の冠面の吸気
側に、上死点付近において燃料噴霧８と衝突する凹曲面
９を形成し、排気側に燃焼室壁面3aと干渉しない程度に
凸に傾斜する平面部10を形成する。そして、稜線11を、
点火プラグ１から適切な距離だけ排気側に偏心させると
共に適切な高さで形成する。これにより、燃料噴霧８の
衝突拡散と必要以上の拡散防止とが同時に図れるので燃
焼を改善できると共に壁面付着量が抑制されるのでオイ
ル希釈を抑制でき、更に、気化燃料を点火プラグ１の周
囲に集められるので、着火性，燃焼安定性を改善するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリンダ内に直接
燃料を噴射する火花点火式内燃機関（ガソリン機関）、
すなわち直噴火花点火式内燃機関の改良に関し、特に、
燃料によるオイル希釈、スモークの発生、燃焼の悪化な
どを改善する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の直噴火花点火式内燃機関として、
特開平６−８１６５５号公報や特開平５−２４００４７
号公報に開示されるようなものがある。このものは、図
２３に示すように、シリンダ（気筒）１２の中心軸線Ｌ
を含む平面ＦＣを挟んでシリンダヘッド２の一側に吸気
ポート５を備え、平面ＦＣ内シリンダ軸線直交線ＬＨの
平行線ＬＨ１周りに発生する吸気渦流（縦渦）ＴＦを助
長すべく、ピストン２０２の頂面において前記一側側に
偏心されつつ直交線ＬＨとの直交面視において下方に凸
の曲面を呈して形成される凹部２０３と、ピストン２０
２の頂面において前記凹部２０３の他側に連設されて前
記凹部２０３からなだらかに隆起すると共にピストン上
死点においてシリンダヘッド２の下面（換言すれば、燃
焼室壁面３ａ）に近接する隆起部２０４と、上記ピスト
ン２０２が上死点近傍に位置した際に、上記凹部２０３
へ向けて燃料を噴射供給する噴口を有した燃料噴射弁４
と、を備えるようになっている。

【０００３】また、図２２に示すようなもの（特開平６
−８１６５１号公報参照）がある。この図２２に示す内
燃機関は、シリンダヘッド内壁面の周縁部に燃料噴射弁
１０１を配置して、燃料噴射弁１０１からピストン１０
２の頂面に向けて斜めに燃料を噴射する一方、ピストン
１０２の頂面のうち燃料噴霧が衝突する一直線状の衝突
位置（ピストンの上下動に伴って変化する衝突位置の軌
跡）を下側に凸の円弧状（１０３）として、未燃ＨＣの
排出を抑制するものである。

【０００４】更に、特開平６−２０７５４２号公報に示
すようなものもある。このものは、図２４に示すよう
に、燃料噴射弁１０１を、吸気弁１６を有する吸気ポー
ト５底部に設置し、該燃料噴射弁１０１の指向するピス
トン１０５の冠面に皿状の凹み１０５ａを設け、該凹み
１０５ａに衝突した燃料の噴霧を点火プラグ１へ向かわ
しめる構成、即ち、圧縮行程時に点火プラグ１近傍を濃
くして成層燃焼を行わせるようにしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の直噴火花点火式内燃機関にあっては、次のよ
うな惧れがあった。即ち、図２３に示すような内燃機関
では、シリンダ内の縦渦ＴＦの向きが、ピストン上死点
付近でピストン頂面に沿って点火プラグ側へ噴出する燃
料噴霧の方向と同一であって、燃料噴霧にとっては追い
風となり、燃料噴霧が蒸発しないで点火プラグに到達し
やすくなり、点火プラグの濡れやくすぶり、及びその周
辺のシリンダヘッド下面への燃料の付着により、スモー
クの発生が懸念される構成となっていたため、ピストン
上死点付近での燃料噴射時にスモークの発生が懸念され
る他、高速高負荷域など吸気行程噴射時のスモークが発
生しやすくなる惧れがあった。

【０００６】更に、このものは、噴射された燃料の噴霧
円錐角（噴霧広がり角）等の燃料噴霧特性及び前記ピス
トン頂面に設けられた凹部２０３と隆起部２０４とが交
わって形成される稜線の位置が特定されていなかったた
め、噴霧円錐角が燃焼室系の寸法によって決まる特定の
角度よりも大きい場合等には、ピストン形状に拘わら
ず、燃焼室３の壁面３ａ等への燃料付着量が増加してス
モークやＨＣ等が増加し排気性能を悪化させる惧れがあ
り、また、稜線の位置によっては燃料が点火プラグに付
着し易くなってくすぶりや失火等を招き燃焼安定性が低
下してしまうという惧れもあった。

【０００７】また、図２２に示す内燃機関では、燃料噴
霧の噴霧円錐角が小さいものを想定しており、小さな噴
霧円錐角の場合、その噴霧のモーメンタム（運動量）が
空間的に集中するので、噴霧貫徹力が強くならざるを得
ず、ピストンに衝突して反射する燃料がシリンダヘッド
下面に衝突して、デポジットを生成するなどの惧れもあ
る。

【０００８】そして、図２４に示すものでは、以下のよ
うな惧れがあった。成層燃焼の要求は、燃料噴射量があ
る程度少ない低負荷運転時の条件であり、噴射量の多い
高負荷運転時、つまり出力やトルクを要求される運転条
件では成層燃焼の要求は無く、より均一な混合気場を形
成することが、特にノッキング回避のために必要となる
（或いは、成層を伴わない吸気行程時における燃料噴射
が必要となる）が、図２４に示すものでは、上記のよう
な均一混合気を形成する上で極めて重要な燃料噴霧に対
する要求が明らかになっていなかったため、低温運転時
において燃料噴霧がシリンダ壁に衝突し、潤滑油を希釈
することにより潤滑性能が低下したり、ピストン冠面へ
の燃料液膜付着が原因となってスモークが発生し、排気
浄化性能不良のみならず、機関の運転性能に影響を与え
る惧れがあった。

【０００９】本発明は、このような従来の実情に鑑みな
されたもので、直噴火花点火式内燃機関において、燃料
噴射系とピストン頂面形状の最適化を図る等すると共
に、燃料噴霧を要求に見合った適正な状態に設定する等
することにより、ピストン冠面やシリンダ壁面や点火プ
ラグへの過度の燃料付着を防止し、以って直噴火花点火
式内燃機関の運転性能，排気性能，スモーク排出性能，
オイルダイリューション等の問題を解決することを目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このため、請求項１に記
載の発明に係る直噴火花点火式内燃機関は、点火プラグ
をシリンダヘッド下面に凹形成される燃焼室の略中央に
配設し、吸気ポートのシリンダ開口部下方若しくはその
付近でシリンダ外周近傍に噴口を臨ませて燃料噴射弁を
配設すると共に、該燃料噴射弁から噴射される燃料の噴
霧円錐角が７０°±２０°となるように設定し、かつ、
噴口を通るシリンダ中心軸線の直交線よりピストン側に
向けて燃料噴霧が進行するようにする一方、ピストン冠
面の吸気側に上死点付近の燃料噴射時期で燃料噴霧の概
ね全てを受ける凹曲面を形成すると共に、ピストン冠面
の排気側にシリンダヘッド下面に凹形成される燃焼室壁
と干渉しない程度にピストン外方からピストン中心へ向
けて徐々に隆起されシリンダヘッド側に凸に傾斜する平
面部を形成し、かつ、前記凹曲面と前記平面部とが交わ
って形成される稜線が点火プラグから排気側に所定量オ
フセットされると共にシリンダヘッド側に向けて所定量
隆起されるように形成した。

【００１１】上記構成によれば、直接火花点火式内燃機
関の燃料供給の応答性が高いことによる過渡運転状態で
の応答性の向上や、層状燃焼とすることで希薄燃焼が可
能となることによる燃費の向上等の効果を奏することが
できるのは勿論のこと、更に、燃料噴霧の進行方向がピ
ストン側（下方）を向くと共に、上死点付近の燃料噴射
時期において、燃料噴霧の進行が、前記隆起された稜線
により規制されるため、燃料噴霧が直接燃焼室壁やシリ
ンダ内壁に付着することが最大限抑制でき、以ってスモ
ークの増加や潤滑油の燃料による希釈等を抑制すること
ができる。また、凹曲面との衝突により燃料噴霧は微粒
化されつつ巻き上げられ気化促進されるので、従来に比
べ一層燃焼改善を図ることができると同時に、前記気化
促進された燃料は、前記隆起された稜線により規制され
点火プラグの周囲に集められるので、着火性を大幅に改
善することができる。

【００１２】請求項２に記載の発明では、点火プラグを
シリンダヘッド下面に凹形成される燃焼室の略中央に配
設し、吸気ポートのシリンダ開口部下方若しくはその付
近でシリンダ外周近傍に噴口を臨ませて燃料噴射弁を配
設すると共に、該燃料噴射弁から噴射される燃料の噴霧
円錐角が７０°±２０°となるように設定し、かつ、噴
口を通るシリンダ中心軸線の直交線よりピストン側に向
けて燃料噴霧が進行するようにする一方、ピストン冠面
の吸気側に上死点付近の燃料噴射時期で燃料噴霧の概ね
全てを受ける凹曲面を形成すると共に、ピストン冠面の
排気側にシリンダヘッド下面に凹形成される燃焼室壁と
干渉しない程度にピストン外方からピストン中心へ向け
て徐々に隆起されシリンダヘッド側に凸に傾斜する平面
部を形成し、かつ、前記凹曲面と前記平面部とが交わっ
て形成される稜線が、点火プラグから排気側に所定量オ
フセットされると共に、少なくとも燃料噴射開始から上
死点後１２０°ＣＡ付近までの燃料噴射時期において、
燃料噴霧の下方外縁線が当該稜線よりシリンダ下方を通
過するように形成した。

【００１３】上記構成によれば、請求項１に記載の発明
と同様の作用効果を奏すると共に、高速高負荷運転時等
の燃料噴射期間が長い場合（上死点後１２０°ＣＡ付近
で燃料噴射が終了するような場合）においても、ピスト
ンの冠面上に設けた凹曲面に燃料噴霧を衝突させること
が可能となるので、これにより微粒化や巻き上げによる
混合促進や気化促進を図ることができ、以ってスモーク
の発生を極力抑制することが可能となる。

【００１４】請求項３に記載の発明では、点火プラグを
シリンダヘッド下面に凹形成される燃焼室の略中央に配
設し、吸気ポートのシリンダ開口部下方若しくはその付
近でシリンダ外周近傍に噴口を臨ませて燃料噴射弁を配
設すると共に、該燃料噴射弁から噴射される燃料の噴霧
円錐角が７０°±２０°となるように設定し、かつ、噴
口を通るシリンダ中心軸線の直交線よりピストン側に向
けて燃料噴霧が進行するようにする一方、ピストン冠面
の排気側にシリンダヘッド下面に凹形成される燃焼室壁
と干渉しない程度にピストン外方からピストン中心へ向
けて徐々に隆起されシリンダヘッド側に凸に傾斜する平
面部を形成し、前記平面部の最大隆起部に相当する稜線
が、点火プラグから排気側に所定量オフセットされると
共に、少なくとも燃料噴射開始から上死点後１２０°Ｃ
Ａ付近までの燃料噴射時期において、燃料噴霧の下方外
縁線が当該稜線よりシリンダ下方を通過するように形成
した。

【００１５】上記構成によれば、前記平面部により燃焼
室内の渦流を促進することができるので燃焼改善を図る
ことができると同時に、燃料噴霧の進行方向がピストン
側（下方）を向くと共に、上死点付近の燃料噴射時期に
おいて、燃料噴霧の進行が、前記隆起された稜線により
規制されるため、燃料噴霧が直接燃焼室壁やシリンダ内
壁に付着することが最大限抑制でき、以ってスモークの
増加や潤滑油の燃料による希釈等を抑制することができ
る。そして、ピストンの冠面上に設けた前記稜線より吸
気側のピストン冠面に燃料噴霧を衝突せられ気化された
燃料は、前記隆起された稜線により規制され点火プラグ
の周囲に集められるので、着火性を大幅に改善すること
ができる。

【００１６】また、高速高負荷運転時等の燃料噴射期間
が長い場合（上死点後１２０°ＣＡ付近で燃料噴射が終
了するような場合）においても、ピストンの冠面上に設
けた前記稜線より吸気側のピストン冠面に燃料噴霧を衝
突させることが可能となるので、これにより微粒化や巻
き上げによる混合促進や気化促進を図ることができ、以
ってスモークの発生を極力抑制することが可能となる。

【００１７】請求項４に記載の発明では、燃料噴射終了
時期を、上死点後９０°ＣＡ〜１２０°ＣＡに設定する
ようにした。これにより、本発明による燃焼改善効果を
最も効果的に発揮させることができ、以ってスモーク，
ＨＣ等の発生を極力抑制することが可能となる。請求項
５に記載の発明では、前記燃料噴射弁のシリンダヘッド
への取り付け俯角を、３５°±１０°とする。

【００１８】これにより、機種等が異なる殆どのエンジ
ンについて、本発明を容易に適用することが可能とな
り、以って機種等が異なる殆どのエンジンについて、本
発明の作用効果を良好に奏することができる。そして、
請求項６に記載の発明に係る直噴火花点火式内燃機関で
は、吸入空気が対向する排気弁下側のシリンダ壁面に衝
突してピストン頂面方向に下方に曲げられてシリンダ内
に縦渦を形成するような形状の吸気ポートと、吸気ポー
トのシリンダヘッド燃焼室開口部とシリンダボアとの間
で吸気ポート下側の燃焼室壁面に開口して燃料を噴射す
る燃料噴射弁と、吸気弁と排気弁との間で略シリンダ中
心に配置される点火プラグと、吸気弁に対応する側が凹
面をなし、排気弁側に滑らかに盛り上がって、点火プラ
グよりも排気弁側でシリンダヘッド側に凸の稜線を有す
る冠面形状をもつピストンと、を設けて構成するように
した。

【００１９】かかる構成によれば、稜線による燃料噴霧
のせき止め効果と、稜線より排気弁側での縦渦により、
燃料噴霧が排気弁側へ進むのが抑制されて、シリンダ壁
面への燃料付着が防止され、燃料によるオイル希釈を抑
制できる。また、稜線を境にして２つの縦渦が形成さ
れ、これらの縦渦により燃料噴霧が２つに分散されるこ
とで、点火プラグへの過度の燃料付着が防止され、スモ
ークの発生を低減できる。

【００２０】更に、燃料噴霧がシリンダ内の縦渦に対向
して点火プラグ側へ進むので、微粒化や蒸発が促進され
て、点火に適した燃料蒸気塊が形成されると共に、点火
プラグへの過度の燃料付着が防止され、スモークの発生
を低減できる。請求項７に記載の発明では、特にピスト
ンについて、吸気弁に対応する側が凹面をなし、排気弁
側に滑らかに盛り上がって、点火プラグよりも排気弁側
でシリンダヘッド側に凸の稜線を有し、この稜線から直
線的に燃焼室ペントルーフ天井に沿って傾斜する斜面を
有する冠面形状をもつピストンとする。

【００２１】このような斜面を設けることにより、シリ
ンダヘッド下面との間で上昇気流をつくり易くなり、こ
の気流により燃料噴霧の排気弁側への進行をより効果的
に阻止できる。請求項８に記載の発明では、特にピスト
ンについて、吸気弁に対応する側が凹面をなし、排気弁
側に滑らかに盛り上がって、点火プラグよりも排気弁側
でシリンダヘッド側に凸の稜線を有し、この稜線から直
線的に燃焼室ペントルーフ天井に沿って傾斜する斜面を
有し、更に周縁部に凹面よりも高く上死点位置でシリン
ダヘッドと微小な間隙で相対するフラットな面の外周部
を有する冠面形状をもつピストンとする。

【００２２】このような外周部を設けることにより、シ
リンダヘッド下面との間で燃料を巻き上げて、シリンダ
壁面への燃料付着をより効果的に防止できる。請求項９
に記載の発明では、前記稜線の最高部の高さは、上死点
位置で燃料噴射弁の噴口部以上の高さとする。また、請
求項１０に記載の発明では、ピストン周縁部に凹面より
高い外周部を有する場合に、前記稜線の最高部の高さ
は、前記外周部よりも高く、上死点位置で燃料噴射弁の
噴口部以上の高さとする。

【００２３】これらによって、燃料噴霧のせき止め効果
をより完全に機能させることができる。請求項１１に記
載の発明では、前記凹面は、ピストン頂面上で吸気弁側
から排気弁側へ向かう方向と略直角方向に同一高さの概
略円筒面で形成する。これにより、加工が容易となる。

【００２４】そして、請求項１２に記載の発明では、燃
焼室内に燃料噴射弁から燃料を噴射し、点火プラグによ
って火花点火を行う直噴火花点火式内燃機関において、
前記燃料噴射弁の燃料噴射期間を主として機関の吸気行
程に設定すると共に、該燃料噴射弁を、吸気ポートの下
方あるいは底部に設置し、該燃料噴射弁から噴射される
燃料噴霧の円錐角αを７０°±２０°、該噴霧の中心軸
とシリンダヘッド下面とのなす角度θをα／２≦θ≦９
０°−α／２に設定するように構成した。

【００２５】このようにすれば、θの設定により燃料噴
霧の稜線の上縁線がシリンダヘッド下面より下方で、か
つ、下縁線が噴孔直下のシリンダ壁面から離れる方向に
設定されると共に、αの設定によりペネトレーションが
適度に小さく設定され、かつ、燃料噴射期間を主として
吸気行程に設定したことにより、燃料噴霧が点火プラグ
やシリンダ壁面に直接衝突することを良好に回避でき、
また、ピストン冠面へは吸気上死点近傍でのみ衝突する
が、その高燃圧により大部分が反射してピストン冠面の
燃料液膜が薄く抑制される。

【００２６】そして、ピストン冠面の燃料液膜を薄く抑
制できることによりスモークの発生を効果的に防止で
き、シリンダ壁面への燃料噴霧の衝突を抑制して燃料付
着による潤滑油の希釈を効果的に防止でき、点火プラグ
への燃料噴霧の衝突を抑制して点火プラグに付着する燃
料液膜によるすすの発生、ひいては失火の発生をも確実
に防止できる。

【００２７】

【発明の効果】請求項１に記載の発明に係る直噴火花点
火式内燃機関によれば、直接火花点火式内燃機関の燃料
供給の応答性が高いことによる過渡運転状態での応答性
の向上や、層状燃焼とすることで希薄燃焼が可能となる
ことによる燃費の向上等の効果を奏することができるの
は勿論のこと、燃料噴霧の進行方向がピストン側（下
方）を向くと共に、上死点付近の燃料噴射時期におい
て、燃料噴霧の進行が、前記隆起された稜線により規制
されるため、燃料噴霧が直接燃焼室壁やシリンダ内壁に
付着することが最大限抑制できるため、スモークの増加
や潤滑油の燃料による希釈等を抑制することができる。
また、凹曲面との衝突により燃料噴霧は微粒化されつつ
巻き上げられ気化促進されるので、従来に比べ一層燃焼
改善を図ることができると同時に、前記気化促進された
燃料は、前記隆起された稜線により規制され点火プラグ
の周囲に集められるので、着火性を大幅に改善すること
ができる。

【００２８】請求項２に記載の発明によれば、請求項１
に記載の発明と同様の作用効果を奏すると共に、高速高
負荷運転時等の燃料噴射期間が長い場合においても、ピ
ストンの冠面上に設けた凹曲面に燃料噴霧を衝突させる
ことが可能となるので、これにより微粒化や巻き上げに
よる混合促進や気化促進を図ることができ、以ってスモ
ークの発生を極力抑制することが可能となる。

【００２９】請求項３に記載の発明によれば、凹曲面を
有する請求項１や請求項２に記載の発明ほど、気化促進
効果は得られないとしても、従来に対し、十分に、スモ
ークの増加や潤滑油の燃料による希釈等を抑制すること
ができる。また、ピストンの冠面上に設けた前記稜線よ
り吸気側のピストン冠面に燃料噴霧を衝突せられ気化さ
れた燃料は、前記隆起された稜線により規制され点火プ
ラグの周囲に集められるので、着火性を大幅に改善する
ことができる。更に、高速高負荷運転時等の燃料噴射期
間が長い場合において、ピストンの冠面上に設けた前記
稜線より吸気側のピストン冠面に燃料噴霧を衝突させる
ことが可能となるので、これにより微粒化や巻き上げに
よる混合促進や気化促進を図ることができ、以ってスモ
ークの発生を極力抑制することが可能となる。

【００３０】請求項４に記載の発明によれば、本発明に
よる燃焼改善効果を最も効果的に発揮させることがで
き、以ってスモーク，ＨＣ等の発生を極力抑制すること
が可能となる。請求項５に記載の発明によれば、機種等
が異なる殆どのエンジンについて、本発明を容易に適用
することが可能となり、以って機種等が異なる殆どのエ
ンジンについて、本発明の作用効果を良好に奏すること
ができる。

【００３１】請求項６に記載の発明によれば、燃料噴射
時期のいかんにかかわらず、シリンダ壁面への燃料付着
や、点火プラグへの過度の燃料付着を防止して、燃料に
よるオイル希釈の抑制、スモークの発生の抑制、更には
燃焼安定性の確保等を実現できるという効果が得られ
る。請求項７に係る発明によれば、ピストンの稜線より
排気弁側に斜面を設けることにより、シリンダヘッド下
面との間で上昇気流をつくり易くなり、この気流により
燃料噴霧の排気弁側への進行をより効果的に阻止でき
る。

【００３２】請求項８に係る発明によれば、ピストンの
周縁部に凹面よりも高く上死点位置でシリンダヘッドと
微小な間隙で相対するフラットな面の外周部を設けるこ
とにより、シリンダヘッド下面との間で燃料を巻き上げ
て、シリンダ壁面への燃料付着をより効果的に防止でき
る。請求項９又は請求項１０に係る発明によれば、稜線
の最高部の高さを適切なものとすることにより、燃料噴
霧のせき止め効果をより完全にできる。

【００３３】請求項１１に係る発明によれば、凹面を概
略円筒面で形成することにより、加工が容易となる。請
求項１２に係る発明によれば、吸気ポートの下方又は底
部に装着した燃料噴射弁からの燃料噴霧の円錐角α及び
噴霧軸方向角度θを適切に設定し、かつ、燃料噴射期間
を主として吸気行程に設定したことにより、燃料噴霧の
点火プラグやシリンダ壁面及びピストン冠面への衝突を
抑制でき、以て、スモークの発生、燃料付着による潤滑
油の希釈、及び点火プラグの無点火による失火の発生を
防止することができる。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を添
付の図面に基づいて説明する。図１に示すように、本発
明の第１の実施形態に係る直噴火花点火式内燃機関（こ
こでは、４弁式の内燃機関を例にして説明してある）で
は、点火プラグ１を燃焼室３の略中心に配設してある。
そして、シリンダ中心軸線からオフセットさせて一側側
に吸気ポート５を２つ備えるようにすると共に、当該吸
気ポート５のシリンダ開口部下方或いはその付近で、燃
料を噴射するための噴口４ａが２つの吸気ポート５の間
から燃焼室３内に臨むように、燃料噴射弁４を配設する
ようになっている。

【００３５】燃料噴射弁４は、シリンダヘッド２へ俯角
θ＝３５°（後述するように、θ＝３５°±１０°とす
るのが好ましい。）で取り付けられると共に、噴口４ａ
から噴射される燃料の噴霧円錐角αが７０°（後述する
ように、α＝７０°±２０°とするのが好ましい。）に
なるように設定されている。これにより、燃料噴射弁４
から噴射される燃料噴霧８は、燃料噴霧８の上縁線８ａ
においても、噴口４ａを通りシリンダ中心軸と直交する
線（シリンダが垂直配置される場合は、即ち、水平線で
ある）より下側（ピストン側）に位置するように設定さ
れることになる。即ち、シリンダヘッド２の下面（燃焼
室壁３の上面壁３ａ）へ燃料噴霧８が付着し、燃費，Ｈ
Ｃ，スモーク等が悪化するのを防止すべく、燃料噴霧８
を、噴口４ａを通りシリンダ中心軸と直交する線より上
方（シリンダヘッド側）に向けて進行させないようにし
てある。

【００３６】ピストン７の冠面（頂面）の吸気側には、
上死点付近において、燃料噴霧８の概ね全てを受けるよ
うな凹曲面９が形成されており、排気側には燃焼室壁面
３ａと干渉しない程度のシリンダヘッド側に凸の傾斜を
持つ平面部（斜面）１０が形成されている。なお、前記
凹曲面９と平面部１０とが交わって形成される稜線１１
が、点火プラグ１から適切な距離だけ排気側にオフセッ
トされるように、前記凹曲面９と平面部１０とは形成さ
れる。

【００３７】ここで、上記構成を有する本実施形態に係
る直噴火花点火式内燃機関において奏せられる作用につ
いて説明する。一般に、直噴火花点火式内燃機関におい
ては、低回転・低負荷域、特にアイドル運転領域等の燃
料供給量が少ない領域での燃焼安定性を改善することが
重要な課題の一つであるが、図２に示すように、燃料終
了噴時期が上死点付近である場合が最も燃焼安定度が高
いため、最小限、この上死点付近での燃料噴霧の管理が
重要となってくる。

【００３８】本実施形態における燃料噴射弁４によれ
ば、図３（Ａ）に示すように、シリンダ１２内に噴射さ
れた燃料の噴霧８は、吸・排気方向の断面視における燃
料噴霧８の上縁線８ａが、噴口４ａを通るシリンダ中心
軸直交軸（シリンダが垂直配置される場合は、即ち水平
線である）よりも下方（ピストン側）に向くので、燃料
噴霧８は概ね噴口４ａの位置よりも上方（燃焼室３の上
面壁３ａ側）へは直接噴射（衝突或いは進行）されな
い。なお、噴射終了期間が上死点付近からずれ、ピスト
ン位置が下方となっても、噴霧の到達距離が急激に短く
なるため（噴霧貫徹力が小さくなるため）、燃焼室３の
壁面３ａや排気側シリンダ内壁１２ｂへの噴霧８の衝突
は避けることができるものである。一方、燃料噴霧８の
下縁線８ｂは、噴口４ａを通りシリンダ中心軸に平行な
線よりも排気側に傾くので、燃料噴霧８が直接吸気側シ
リンダ内壁１２ａに衝突することは概ね避けることがで
きる。

【００３９】ピストン７の冠面上に形成された前記稜線
１１は、上死点付近において、燃料噴霧８の概ね全てを
凹曲面９で受けられるような高さ及び位置に設置してあ
るため、燃料噴霧８は当該稜線１１により規制され、燃
料の燃焼室壁３ａやシリンダ１２の内壁１２ａ，１２ｂ
への付着が極力抑制されることになるので、当該燃料の
付着による悪影響、例えばスモークやＨＣの増加や潤滑
油の希釈等の悪影響を極力抑制することができる。

【００４０】なお、図４に示すように、噴射された燃料
噴霧８は、凹曲面９に衝突することによって、微粒化さ
れつつ燃料粒子速度を落として巻き上がってシリンダ内
に浮遊するため、吸気との混合が促進されることとな
り、従来に比べ燃焼改善を図ることができる。更に、稜
線１１が点火プラグ１から適切な距離だけ排気側にオフ
セットされているので、気化された燃料が点火プラグ１
の周囲に集まり易くなっており、これにより着火性を大
幅に改善することができる。

【００４１】また、高負荷運転時において、ピストン７
の冠面形状を本実施形態のように形成することによるス
モーク低減効果が大きいのは、図５の実験結果に示され
るように、燃料噴射終了時期が上死点から上死点後１２
０°ＣＡ（クランク角度）付近の範囲である。当該スモ
ーク低減効果が大きいクランク角度範囲は、ピストン７
が比較的燃料噴射弁４の近くにある場合或いはピストン
摺動速度が速くシリンダ１２内のガス流動が大きい場合
に相当し、噴射終了時期が上死点後１２０°ＣＡ前後と
いうのは、まさしく後者の影響が強い場合である。

【００４２】そのため、高負荷運転時のスモーク低減を
図るためには、上死点後１２０°ＣＡ付近の噴射時期に
おいて、燃料噴霧中心が、燃料噴射弁４から最も遠いピ
ストン７の冠面上の最排気側点に向くのが〔図６（Ａ）
等参照〕、燃料の壁面付着を考慮した際には最適であ
り、それを達成できる燃料噴射弁４の取付角度はエンジ
ンの寸法によって異なるが、概ね俯角θ＝３５°±１０
°であり、そのため本実施形態では前述したように、燃
料噴射弁４のシリンダヘッド２への取付角度を俯角θ＝
３５°としているのである。そして、俯角θを３５°と
した際には、燃料噴霧８の外延（詳しくは上縁線）が、
噴口４ａを通りシリンダ中心軸線と直交する線より下方
となるようにするためには、燃料の噴霧円錐角の最大値
は、７０°となるのである。なお、同様に、燃料噴射弁
４の取付角度の幅が２５°〜４５°（即ち、３５°±１
０°）であれば、噴霧円錐角は５０°〜９０°（即ち７
０°±２０°）となる。

【００４３】なお、例えば、噴霧錐角αを７０°とし、
燃料噴射弁４の取り付け俯角θを変化させた場合（吸気
行程噴射）の燃焼安定性と未燃燃料（ＨＣ）排出量の変
化の様子を、図２１に示しておく。かかる実験結果から
も、噴霧円錐角αを約７０°とした場合には、燃料噴射
弁４の取付角度が、約３５°〜約４５°であることが好
ましいことが解る。

【００４４】このように、本実施形態によれば、直接火
花点火式内燃機関の燃料供給の応答性が高いことによる
過渡運転状態での応答性の向上や、層状燃焼とすること
で希薄燃焼が可能となることによる燃費の向上等の効果
を奏することができるのは勿論のこと、更に、燃料噴射
弁４の噴口４ａを、吸気ポート５のシリンダ開口部下方
或いはその付近でシリンダ外周近傍に臨ませて燃料噴射
弁４を（俯角３５°±１０°で）取り付けると共に、燃
料噴霧８の噴霧円錐角αを７０°（±２０°）に設定す
ることで、燃料噴霧８が噴口４ａを通りシリンダ中心軸
線に直行する線より下側に向けて噴射されるようにし、
かつ、ピストン７の冠面の吸気側に上死点付近の噴射時
期で燃料噴霧８の概ね全てを受けるような凹曲面９を形
成し、ピストン７の冠面の排気側には燃焼室壁３ａと干
渉しない程度にシリンダヘッド側に向けて凸の傾斜を持
つ平面部１０を形成し、前記凹曲面９と前記平面部１０
との稜線１１を、点火プラグ１から適切な距離だけ排気
側にオフセットさせるようにしたので、上死点付近の噴
射時期では燃料が燃焼室壁やシリンダ内壁に付着するこ
とが最大限抑制できるため、スモークの増加や潤滑油の
燃料による希釈等を抑制することができると共に、凹曲
面９との衝突により微粒化されつつ巻き上げられ気化促
進された燃料により燃焼改善を図ることができると同時
に、前記気化促進された燃料が点火プラグ１の周囲に集
められるため、着火性を大幅に改善することができる。

【００４５】なお、第１の実施形態によれば、稜線１１
の位置が、比較的限定されていないので設計自由度が高
いという効果もある。次に、第２の実施形態について説
明する。この第２の実施形態では、図６（Ａ），図６
（Ｂ）に示すように、稜線１１の位置を、上死点後１２
０°ＣＡ前後の噴射時期（ピストン位置）において、燃
料噴霧８の外縁線８ｄ（下方外延）と交差できるような
排気側の位置としている。その他の構成は、第１の実施
形態と同様であるので説明は省略する。

【００４６】本実施形態によれば、第１の実施形態と同
様の効果を奏した上で、更に加えて、高速高負荷運転時
等の燃料噴射期間が長い場合においても、ピストン７の
冠面上の凹曲面９に燃料噴霧８を衝突させることが可能
となるので、これにより微粒化や巻き上げによる混合促
進や気化促進を図ることができ、以ってスモークの発生
を抑制することが可能となる。

【００４７】なお、上記各実施形態では、４弁式の内燃
機関について説明したが、これに限らず２弁式或いは吸
気２弁・排気１弁の３弁式等の他の弁数の内燃機関にも
適用することができるものである。また、上記各実施形
態では、凹曲面９を備えるようにして説明したが、凹曲
面９を備えずとも、即ち、ピストン冠面の吸気側の形状
にとらわれることなく、ピストン冠面の排気側にピスト
ン外方からピストン中心へ向けて徐々に隆起されシリン
ダヘッド側に凸に傾斜する平面部１０を設け、この平面
部１０の最大隆起部に相当する稜線１１を、排気側に所
定量オフセットさせるようにすると共に、適切な高さと
なるように調整しておけば、燃焼室内の渦流ＴＦを促進
させることができ燃焼改善を十分図れると同時に、燃料
噴霧８の進行方向がピストン側（下方）を向くと共に、
上死点付近の燃料噴射時期において、燃料噴霧８の進行
が、前記隆起された稜線１１により規制されるため、燃
料噴霧８が直接燃焼室壁３ａやシリンダ内壁１２ａ，１
２ｂに付着することが最大限抑制できるため、スモーク
の増加や潤滑油の燃料による希釈等を抑制することがで
きる。そして、ピストン７の冠面上に設けた前記稜線１
１より吸気側のピストン冠面に燃料噴霧８を衝突せられ
気化された燃料は、前記隆起された稜線１１により規制
され点火プラグの周囲に集められるので、着火性を大幅
に改善することができる。

【００４８】この場合において、更に、少なくとも燃料
噴射開始から上死点後１２０°ＣＡ付近までの燃料噴射
時期において、燃料噴霧８の下方外縁線８ｄが当該稜線
１１よりシリンダ下方を通過するように形成すれば、高
速高負荷運転時等の燃料噴射期間が長い場合（上死点後
１２０°ＣＡ付近で燃料噴射が終了するような場合）に
おいても、ピストン７の冠面上に設けた前記稜線１１よ
り吸気側の冠面に燃料噴霧を確実に衝突させることが可
能となるので、これにより微粒化や巻き上げによる混合
促進や気化促進を図ることができ、以ってスモークの発
生を極力抑制することが可能となる。

【００４９】続けて、第３の実施形態について説明す
る。第３の実施形態は、図１で説明した内燃機関のピス
トン７の頂面形状などをより詳細に説明するものであ
る。なお、第３の実施形態において、図１に示す吸気ポ
ート５は、吸入空気が対向する排気弁下側のシリンダ壁
面に衝突してピストン７頂面方向に下方に曲げられて、
シリンダ内に、図中時計回り方向に、縦渦を形成するよ
うな形状となっている。その他の部分は、第１，第２の
実施形態において既に説明したと同様であるので、説明
は省略する。

【００５０】即ち、第３の実施形態におけるピストン７
は、図７（Ａ），図７（Ｂ）に示すような冠面形状を有
する。吸気弁１６（図８等参照）側に、凹曲面９が設け
られている。この凹曲面９は、吸気弁１６下側のスキッ
シュ部１９から滑らかに形成され始め、排気弁１７（図
８等参照）側に行くに従って平らな底部を過ぎてから滑
らかに盛り上がって、点火プラグ１よりも、すなわちシ
リンダ中心よりも排気弁１７側の距離Ｌの位置で最高と
なり、シリンダヘッド２側に凸の稜線１１を形成する。

【００５１】凹曲面９は、ピストン７の頂面上で吸気弁
１６側から排気弁１７側へ向かう方向と略直角方向（ク
ランク軸と平行な方向）に同一高さの概略円筒面であ
る。稜線１１の最高部の高さは、上死点位置で燃料噴射
弁４の噴口部以上の高さである。従って、上死点付近で
噴射された場合、燃料噴霧のほとんど全てがこの稜線１
１によりせき止められ、上方に曲げられて、対向する排
気弁１７下側のシリンダボア面に直接到達することが抑
制される。

【００５２】稜線１１からは、排気弁１７側に、直線的
に燃焼室ペントルーフ天井に沿って傾斜する斜面１３が
形成されて、排気弁１７下側のスキッシュ部１４に連な
っている。更に、ピストン７の周縁部には、凹曲面９よ
りも高く、上死点位置でシリンダヘッド２と微小な間隙
で相対するフラットな面の外周部１５が形成されてい
る。尚、稜線１１は外周部１５よりも高く形成され、外
周部１５と交差する位置まで延びている。

【００５３】次に作用を説明する。図８に示すように、
ピストン７が吸気上死点付近にあるときに燃料が噴射さ
れる場合は、燃料がピストン７の凹曲面９に沿って進む
が、稜線１１によるせき止め効果と、斜面１３とシリン
ダヘッド下面とで囲まれる燃焼室内で形成される時計回
り方向の小さな縦渦２１による稜線１１の付近での上昇
気流とにより、排気弁１７側へ進むことが抑制される。

【００５４】また同時に、図示していないが、凹曲面９
を取り囲む外周部15及びスキッシュ部１１，１４により
燃料は巻き上げられ、直接シリンダボアに付着すること
が抑制される。従って、燃料が直接対向するシリンダ壁
面へ衝突付着することがほぼ全面的に避けられる。これ
により、図１３の実験結果から明らかなように、フラッ
トピストンに比べて、噴射時期が吸気上死点付近のとき
の潤滑オイル希釈ガソリン量を大幅に低減できる。尚、
潤滑オイル希釈ガソリン量は、燃料噴射量から、排気組
成分析により求めた排気出口側での燃料量を減算して得
たものであり、この差分が潤滑オイル中に混入したもの
と推定した。また、図１３中のＭＰＩレベルとは吸気系
にて燃料を噴射するマルチポイントインジェクションタ
イプの場合の潤滑オイル希釈ガソリン量である。

【００５５】更に、図１４の実験結果から明らかなよう
に、各種の噴霧角を有する燃料噴射弁に対しても、フラ
ットピストンに比べて、所定の凹面を設けた本発明によ
るピストンは、潤滑オイル希釈ガソリン量の点で有利で
ある。従って、本発明では、より狭い噴霧角、すなわ
ち、貫徹力の大きな噴霧に対しても潤滑オイル希釈ガソ
リン量を低減でき、燃料噴射弁の設定可能な噴霧角の範
囲を大きく拡大できる。

【００５６】図９には吸気行程前半に噴射された場合の
噴霧を示す。吸気流により、縦渦２２と２３とが形成さ
れる。これは、本発明の特徴で、図２２に示した従来例
では実現できない。この２つの縦渦２２，２３により、
燃料噴霧が２つの渦に分散され、特に、縦渦２２に取り
込まれた燃料は、点火プラグ１に直接衝突することを縦
渦２３により抑制されるため、点火プラグ１周りに過度
に燃料が付着する問題が解決され、吸気行程前半で噴射
した場合のスモークの発生を、図１５の実験結果に示す
ように大幅に低減できる。無論、凹曲面９による燃料噴
射弁４と衝突壁面との距離拡大によるピストン７の頂面
での衝突噴霧の濡れ厚さ低減も上記スモーク低減の一要
因である。

【００５７】一方、ピストン７がその後下降し上昇する
際に、稜線１１の付近では、縦渦２２で上側に吹き上げ
られる噴霧と縦渦２３で対向され減速する噴霧とでちょ
うど燃料の塊の保存部分２４が図１０に示すように観察
され、ピストン７が圧縮上死点付近の点火時期に近づく
と、図１１に示すように、燃料の塊２４はちょうど点火
プラグ１の付近にくる。これにより、燃料噴射時期があ
る程度早い場合は、この稜線１１に燃料蒸気塊が形成さ
れる特徴により、図１６の実験結果に示すように燃料の
安定度が高くなる効果がある。

【００５８】更に、図１２に示すように、点火時期付近
に燃料を噴射する場合は、本発明のピストンでは、燃料
噴霧がシリンダ内の縦渦２５に対向してピストン凹曲面
９表面を点火プラグ１側に進むので、微粒化や蒸発が促
進されて、点火に適した燃料蒸気塊が形成されると共
に、過度の燃料の点火プラグ１周りへの付着やそれに起
因する点火プラグ１のくすぶりや濡れの問題を未然に防
止できる。このとき、斜面１３の上で形成されるもう１
つの微小な縦渦２６は、燃料が稜線１１を越えて排気弁
１７下のシリンダボアに直接付着してオイルを希釈しな
い作用をもつ。かくして、本発明による内燃機関では、
圧縮行程時の燃料噴射時も安定した燃焼を実現できる。

【００５９】図１７（Ａ），図１７（Ｂ）には、第４の
実施形態を示す。図７（Ａ），図７（Ｂ）に示したもの
では、ピストン７の凹曲面９の底部は平面に近いもので
あったが、当該第４の実施形態では、ピストン７の凹曲
面９’をより真の円筒面に近づけている。但し、凹曲面
９’の最底部の外周部15からの深さは前述の実施形態の
凹曲面９の深さと同一にしている。

【００６０】従って、凹部の容積を小さくできるので、
圧縮比を高くとることが可能となる。すなわち、基本的
効果については、図１３と図１６の斜線内で略同一であ
りながら、圧縮比を高くとれる。更に続けて、本発明の
第５の実施形態について説明する。基本構成としては、
第１，第２の実施形態で説明した図１と略同様である
が、当該第５の実施形態は、燃料噴射弁４の取付角度な
どを詳細に例示するものである。

【００６１】つまり、第５の実施形態では、燃料噴射弁
４は、該燃料噴射弁４から噴射される燃料噴霧の円錐角
をαとしたとき、該噴霧の中心軸のシリンダヘッド１下
面に対する角度 (燃料噴射弁のシリンダヘッドへの取り
付け俯角。以下適宜噴霧軸方向角度という) θが、α／
２≦θ≦９０°−α／２となるように取付け方向を設定
する。

【００６２】そして、前記燃料噴霧の円錐角αが、７０
°±２０° (５０°≦α≦９０°)に設定され、より好
ましくは６５°±５° (６０°≦α≦７０°) の範囲に
設定され、該設定された噴霧円錐角αの範囲内にあるこ
とにより、該燃料噴射弁９から斜め下方を指向する噴霧
が燃焼室３内に供給され、例えば６０°≦α≦７０°の
円錐角αを持つ噴霧は、その上縁線８ａ及び下縁線８ｂ
に挟まれた範囲に大部分の燃料噴霧が含まれる。

【００６３】以下詳細に説明すると、前記のように円錐
角α及び噴霧軸方向角度θを設定することにより、燃料
はシリンダヘッド下面３ａや、燃料噴射弁４の噴孔直下
側のシリンダの壁面１２ａ及び噴孔と対向する壁面１２
ｂに直接衝突することがなく、また、燃料噴射期間を主
として吸気行程中に設定することにより、吸気上死点近
傍を除いてピストン７の冠面にも直接衝突することがな
い。

【００６４】吸気上死点近傍では、ピストン７の冠面が
燃料噴射弁４の噴孔４ａに最も近い位置にあり、燃料噴
霧のペネトレーション (貫徹力) がいかに短くとも噴霧
はピストン冠面に衝突する。しかし、噴霧円錐角αが大
きいと、冠面との衝突によっても冠面上に形成される液
膜はスモークを発生させないことは後述するが図１８に
示されるとおりである。これは、燃料噴射弁４の燃料噴
射圧力が５ＭＰａ±１ＭＰａという高圧に設定されてい
るため、衝突後の噴霧がピストン冠面で反射し空間に広
く散布されるためである。また、シリンダ１２は隠れて
いて、噴霧が直接当たることはない。

【００６５】図１８には、ピストン冠面が平らな場合
の、噴霧円錐角αと燃料噴射終了時期が吸気上死点ＴＤ
Ｃ及び３０°、６０°、９０°ＡＴＤＣにおけるスモー
ク濃度との相関線を概念的に示したものである。即ち、
噴霧円錐角αが大きければ、スモーク濃度は低減すると
いう非常に強い相関があることである。この相関線の横
軸即ち噴霧円錐角との交点はスモーク濃度ゼロの要求噴
霧円錐角である。この値はおおよそ５０°から９０°好
ましくは６０°から７０° (軸対称噴霧で±３０°から
３５°) となる。

【００６６】例えば、この噴霧円錐角αが７０°の場
合、燃焼室に前述した角度θを３５°≦θ≦５５°に設
定すると、噴霧稜線の下縁線８ｂはシリンダヘッド２下
面に対して７０°から９０°となり、角度θ＝５５°の
場合、同９０°と殆どシリンダ２壁面に平行に近くな
り、円錐角を取り巻く微粒子噴霧群はシリンダ壁面に衝
突する。したがって、これ以上大きい値の噴霧円錐角α
はシリンダ壁面を濡らすために使用できない。一方、噴
霧稜線の上縁線８ａは点火プラグ１を指向し、角度θが
３５°≦θ≦５５°の場合、噴霧円錐角７０°の場合で
は、水平線に対し、０°から２０°下方となる。したが
って、点火プラグ１を有する燃焼室３頂壁側へは噴霧を
行かせないようにすることができる。

【００６７】さらに、このような広噴霧円錐角化の要求
は、ペネトレーションとよぶ噴霧貫徹力を小さくできる
効果があり、ペネトレーションを短くできると燃料の壁
面への到達が回避できる。図１９には、噴霧円錐角αと
ペネトレーションの相関を示す。噴霧円錐角αが大きく
なると、直線的にペネトレーションは短くなり、シリン
ダボア径よりも短くなると、シリンダ壁面への衝突は回
避できる。噴霧円錐角αに対して前述のスモーク濃度ゼ
ロを達成できる噴霧角αを６０°から７０°とした場合
ではペネトレーションは９０mmから８０mm (噴孔からの
噴霧到達距離) となり、ほぼシリンダ内壁面に衝突しな
い長さとなる。

【００６８】さらに、噴霧円錐角αとシリンダ内壁面へ
の燃料付着による潤滑油希釈の量を示す値 (縦軸) との
相関を図２０に示す。この潤滑油希釈燃料量がＭＰｉ
(マルチポイントインジェクション方式) の値相当の要
求噴霧円錐角は７０°である。したがって、６０°〜７
０°という噴霧円錐角αの値は、２つの要求、即ち、ス
モーク発生を抑制すると共に、噴霧の壁衝突を回避でき
ることにより潤滑不良を回避できるという直噴火花点火
式内燃機関の２つの大きな問題を同時に対策できる。

【００６９】この場合、燃料噴射弁の噴霧軸方向の角度
θをα／２≦θ≦９０°−α／２とする制約は、円錐角
の噴霧８の上縁線８ａが点火プラグ１を直撃する方向へ
いくのを回避するために必要である。即ち、噴霧の下縁
線８ｂがシリンダ内壁面へ衝突することを回避するのと
同じように噴霧の上縁線８ａは、点火プラグ１のある燃
焼室３上部空間へ向かって点火プラグ１を直撃すること
が無いようにしないようにしなければならない。これ
は、液滴を含む噴霧が点火プラグ１を直撃すると燃料液
膜を形成し、拡散燃焼を発生することにより、すすが発
生し、点火プラグ１がすすによりくすぶってスパークギ
ャップ間で火花が飛ばなくなり、失火する原因になるこ
とから絶対に回避しなければならないからである。

【００７０】以上のことから、燃料噴射弁４を吸気ポー
ト５底部に設置する場合、広噴霧円錐角５０°≦α≦９
０°好ましくは６０°≦α≦７０°との兼ね合いによ
り、噴霧軸方向の角度θはα／２≦θ≦９０°−α／２
とすることが必須となる。このような噴霧軸方向角度θ
と噴霧円錐角αとの組み合わせにより、燃料噴射終了時
期が吸気行程において、吸気上死点から上死点後１２０
°までの間、高負荷運転ではスモークの発生がゼロであ
り、低温実験時では潤滑油を希釈する衝突燃料も少なく
できるので、当該第５の実施形態によっても、図１３及
び図１５等と同様の結果を得ることができるものであ
る。

【００７１】また、燃料噴射弁４を吸気ポート５の底部
に取り付けることで、従来の４弁内燃機関 (ガソリン機
関) の本体構造をそのまま使用でき、コストアップを回
避できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る直噴火花点火式
内燃機関の構成を示す断面図。

【図２】直噴火花点火式内燃機関の燃焼安定性を説明す
るための図。

【図３】（Ａ）は、同上実施形態における直噴火花点火
式内燃機関のピストン上死点付近での燃焼室内の状態を
説明するための断面図。（Ｂ）は、（Ａ）に示された燃
焼室の上方矢視図（燃料噴霧の衝突範囲８ｃと稜線１１
との位置関係を説明する図）。

【図４】同上実施形態における燃料噴霧の巻き上がりの
状態を説明する図。

【図５】同上実施形態におけるスモークの低減効果を説
明する図（高負荷運転時）。

【図６】（Ａ）は、第２の実施形態における上死点後１
２０°ＣＡ前後の噴射時期（ピストン位置）での燃焼室
内の状態を説明するための断面図。（Ｂ）は、（Ａ）に
示された燃焼室の上方矢視図（燃料噴霧の衝突範囲８ｄ
と稜線１１との位置関係を説明する図）。

【図７】本発明の第３の実施形態のピストン冠面形状を
示す平面図及び縦断面図。

【図８】同上実施形態における吸気上死点付近で噴射し
た場合の噴霧を示す図。

【図９】同上実施形態における吸気行程前半で噴射した
場合の噴霧を示す図。

【図10】同上実施形態における燃料塊の保存部分を示す
図

【図11】同上実施形態における燃料塊の保存部分を示す
図

【図12】同上実施形態における点火時期付近で噴射した
場合の噴霧を示す図。

【図13】潤滑オイル希釈ガソリン量の噴射時期特性図。

【図14】潤滑オイル希釈ガソリン量の噴霧角特性図。

【図15】スモークの噴射時期特性図。

【図16】安定度の噴射時期特性図。

【図17】本発明の第４の実施形態のピストン冠面形状を
示す平面図及び縦断面図。

【図18】本発明の第５の実施形態における噴霧円錐角α
に対するスモーク濃度の関係を示す図。

【図19】噴霧円錐角αに対するペネトレーションの関係
を示す図。

【図20】噴霧円錐角αに対する潤滑油希釈燃料量の関係
を示す図。

【図21】燃料噴射弁の取り付け俯角に対する燃焼安定
度，ＨＣ排出量の関係を示す図。

【図22】従来例１を示す内燃機関の概略断面図

【図23】従来例２を示す内燃機関の概略斜視図

【図24】従来例３を示す内燃機関の縦断面図。

【符号の説明】

１ 点火プラグ ２ シリンダヘッド ３ 燃焼室 ４ 燃料噴射弁 ５ 吸気ポート ７ ピストン ８ 燃料噴霧 ８ａ 噴霧稜線の上縁線 ８ｂ 噴霧稜線の下縁線 ９，９’ 凹曲面 10 平面部（斜面） 11 稜線 12 シリンダ 13 斜面 14 スキッシュ部 15 外周部 16 吸気弁 17 排気弁 19 スキッシュ部 α 噴霧円錐角 θ 噴霧軸方向角度

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１５年２月１３日（２００３．２．１
３）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００２

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００２】

【従来の技術】従来の直噴火花点火式内燃機関として、
特開平５−２４００４７号公報に開示されているような
ものがある。また、特開平６−８１６５１号公報があ
る。更に特開平６−２０７５４２号公報に示すようなも
のもある。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００３

【補正方法】削除

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００４

【補正方法】削除

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００５

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の直噴火花点火式内燃機関にあっては、シリン
ダ内の縦渦の向きが、ピストン上死点付近でピストン頂
面に沿って点火プラグ側へ噴出する燃料噴霧の方向と同
一であって、燃料噴霧にとっては追い風となり、燃料噴
霧が蒸発しないで点火プラグに到達しやすくなり、点火
プラグの濡れやくすぶり、及びその周辺のシリンダヘッ
ド下面への燃料の付着により、スモークの発生が懸念さ
れる構成となっていたため、ピストン上死点付近での燃
料噴射時にスモークの発生が懸念される他、高速高負荷
域など吸気行程噴射時のスモークが発生しやすくなる惧
れがあった。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００６】また、ピストン頂面に設けられた凹部と隆
起部とが交わって形成される稜線の位置によっては燃料
が点火プラグに付着し易くなってくすぶりや失火等を招
き燃焼安定性が低下してしまうという惧れもあった。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】削除

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】削除

【手続補正９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１０

【補正方法】削除

【手続補正１０】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】削除

【手続補正１１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】削除

【手続補正１２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１３

【補正方法】削除

【手続補正１３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１４

【補正方法】削除

【手続補正１４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１５

【補正方法】削除

【手続補正１５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１６

【補正方法】削除

【手続補正１６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１７

【補正方法】削除

【手続補正１７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１８】

【課題を解決するための手段】このため、請求項１に記
載の発明に係る直噴火花点火式内燃機関は、 シリンダ内
に直接燃料を噴射する火花点火式内燃機関であって、吸
入空気が対向する排気弁下側のシリンダ壁面に衝突して
ピストン頂面方向に下方に曲げられて縦渦を形成するよ
うな形状の吸気ポートと、吸気ポートのシリンダヘッド
燃焼室開口部とシリンダボアとの間で吸気ポート下側の
燃焼室壁面に噴口が開口して燃料を噴射し、噴射された
燃料噴霧の上縁線が、前記噴口を通りシリンダ中心軸と
直交する線より下側に位置するように配置された燃料噴
射弁と、吸気弁と排気弁との間で略シリンダ中心に配置
される点火プラグと、吸気弁に対応する側が凹面をな
し、排気弁側に滑らかに盛り上がって、点火プラグより
も排気弁側でシリンダヘッド側に凸の稜線を両端がピス
トンの外周部まで延びるように有し、この稜線から直線
的に燃焼室ペントルーフ天井に沿って傾斜する平面を有
する冠面形状をもつピストンと、を含んで構成するよう
にした。

【手続補正１８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１９】かかる構成によれば、稜線による燃料噴霧
のせき止め効果と、稜線より排気弁側での燃料噴射方向
とは逆向きに生じる縦渦により、燃料噴霧が排気弁側へ
進むのが抑制されて、シリンダ壁面への燃料付着が防止
され、燃料によるオイル希釈を抑制できる。

【手続補正１９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２０】更に、燃料噴霧がシリンダ内の縦渦に対向
して点火プラグ側へ進むので、微粒化や蒸発が促進され
て、点火に適した燃料蒸気塊が形成されると共に、点火
プラグへの過度の燃料付着が防止され、スモークの発生
を低減できる。特にピストンについて、吸気弁に対応す
る側が凹面をなし、排気弁側に滑らかに盛り上がって、
点火プラグよりも排気弁側でシリンダヘッド側に両端が
ピストンの外周部まで延びる凸の稜線を有し、この稜線
から直線的に燃焼室ペントルーフ天井に沿って傾斜する
平面を設けることにより、シリンダヘッド下面との間で
上昇気流をつくり易くなり、この気流により燃料噴霧の
排気弁側への進行をより効果的に阻止できる。また、燃
料噴霧の上縁線が、噴口を通りシリンダ中心軸と直交す
る線より下側に位置するように配置したことにより、シ
リンダヘッドの下面（燃焼室壁の上面壁）へ燃料噴霧が
付着し、燃費，ＨＣ，スモーク等が悪化するのを防止で
きる。

【手続補正２０】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２１】請求項２に記載の発明では、特にピストン
の外周部が凹面よりも高く上死点位置でシリンダヘッド
と微小な間隙で相対するフラットな面である構成とす
る。

【手続補正２１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２２】このような外周部を設けることにより、シ
リンダヘッド下面との間で燃料を巻き上げて、シリンダ
壁面への燃料付着をより効果的に防止できる。請求項３
に記載の発明では、前記稜線の最高部の高さは、上死点
位置で燃料噴射弁の噴口部以上の高さとする。また、請
求項４に記載の発明では、ピストン周縁部に凹面より高
い外周部を有する場合に、前記稜線の最高部の高さは、
前記外周部よりも高く、上死点位置で燃料噴射弁の噴口
部以上の高さとする。

【手続補正２２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２３】これらによって、燃料噴霧のせき止め効果
をより完全に機能させることができる。

【手続補正２３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２４

【補正方法】削除

【手続補正２４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２５

【補正方法】削除

【手続補正２５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２６

【補正方法】削除

【手続補正２６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２７

【補正方法】削除

【手続補正２７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２８

【補正方法】削除

【手続補正２８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２９

【補正方法】削除

【手続補正２９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３０

【補正方法】削除

【手続補正３０】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３１】

【発明の効果】請求項１に記載の発明に係る直噴火花点
火式内燃機関によれば、燃料噴射時期 のいかんにかかわ
らず、シリンダ壁面への燃料付着や、点火プラグへの過
度の燃料付着を防止して、燃料によるオイル希釈の抑
制、スモークの発生の抑制、更には燃焼安定性の確保等
を実現できるという効果が得られ、ピストンの稜線より
排気弁側に傾斜した平面を設けることにより、シリンダ
ヘッド下面との間で上昇気流をつくり易くなり、この気
流により燃料噴霧の排気弁側への進行をより効果的に阻
止できる。

【手続補正３１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３２】請求項２に係る発明によれば、ピストンの
周縁部に凹面よりも高く上死点位置でシリンダヘッドと
微小な間隙で相対するフラットな面の外周部を設けるこ
とにより、シリンダヘッド下面との間で燃料を巻き上げ
て、シリンダ壁面への燃料付着をより効果的に防止でき
る。請求項３又は請求項４に係る発明によれば、稜線の
最高部の高さを適切なものとすることにより、燃料噴霧
のせき止め効果をより完全にできる。

【手続補正３２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３３

【補正方法】削除

【手続補正３３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５６】図９には吸気行程前半に噴射された場合の
噴霧を示す。吸気流により、縦渦２２と２３とが形成さ
れる。これは、本発明の特徴で、既述した従来例では実
現できない。この２つの縦渦２２，２３により、燃料噴
霧が２つの渦に分散され、特に、縦渦２２に取り込まれ
た燃料は、点火プラグ１に直接衝突することを縦渦２３
により抑制されるため、点火プラグ１周りに過度に燃料
が付着する問題が解決され、吸気行程前半で噴射した場
合のスモークの発生を、図１５の実験結果に示すように
大幅に低減できる。無論、凹曲面９による燃料噴射弁４
と衝突壁面との距離拡大によるピストン７の頂面での衝
突噴霧の濡れ厚さ低減も上記スモーク低減の一要因であ
る。

【手続補正３４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図２２

【補正方法】削除

【手続補正３５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図２３

【補正方法】削除

【手続補正３６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図２４

【補正方法】削除

【手続補正３７】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２２

【補正方法】削除

【手続補正３８】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２３

【補正方法】削除

【手続補正３９】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２４

【補正方法】削除

───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｆ０２Ｆ 3/26 Ｆ０２Ｆ 3/26 Ｃ (72)発明者 飯山 明裕 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 角方 章彦 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 Ｆターム(参考） 3G023 AA00 AA01 AA02 AA04 AA07 AB01 AB03 AC04 AC05 AD02 AD03 AD06

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】点火プラグをシリンダヘッド下面に凹形成
   される燃焼室の略中央に配設し、 吸気ポートのシリンダ開口部下方若しくはその付近でシ
   リンダ外周近傍に噴口を臨ませて燃料噴射弁を配設する
   と共に、該燃料噴射弁から噴射される燃料の噴霧円錐角
   が７０°±２０°となるように設定し、かつ、噴口を通
   るシリンダ中心軸線の直交線よりピストン側に向けて燃
   料噴霧が進行するようにする一方、 ピストン冠面の吸気側に上死点付近の燃料噴射時期で燃
   料噴霧の概ね全てを受ける凹曲面を形成すると共に、ピ
   ストン冠面の排気側にシリンダヘッド下面に凹形成され
   る燃焼室壁と干渉しない程度にピストン外方からピスト
   ン中心へ向けて徐々に隆起されシリンダヘッド側に凸に
   傾斜する平面部を形成し、 かつ、前記凹曲面と前記平面部とが交わって形成される
   稜線が点火プラグから排気側に所定量オフセットされる
   と共にシリンダヘッド側に向けて所定量隆起されて形成
   されたことを特徴とする直噴火花点火式内燃機関。
2. 【請求項２】点火プラグをシリンダヘッド下面に凹形成
   される燃焼室の略中央に配設し、 吸気ポートのシリンダ開口部下方若しくはその付近でシ
   リンダ外周近傍に噴口を臨ませて燃料噴射弁を配設する
   と共に、該燃料噴射弁から噴射される燃料の噴霧円錐角
   が７０°±２０°となるように設定し、かつ、噴口を通
   るシリンダ中心軸線の直交線よりピストン側に向けて燃
   料噴霧が進行するようにする一方、 ピストン冠面の吸気側に上死点付近の燃料噴射時期で燃
   料噴霧の概ね全てを受ける凹曲面を形成すると共に、ピ
   ストン冠面の排気側にシリンダヘッド下面に凹形成され
   る燃焼室壁と干渉しない程度にピストン外方からピスト
   ン中心へ向けて徐々に隆起されシリンダヘッド側に凸に
   傾斜する平面部を形成し、 かつ、前記凹曲面と前記平面部とが交わって形成される
   稜線が、点火プラグから排気側に所定量オフセットされ
   ると共に、少なくとも燃料噴射開始から上死点後１２０
   °ＣＡ付近までの燃料噴射時期において、燃料噴霧の下
   方外縁線が当該稜線よりシリンダ下方を通過するように
   形成されたことを特徴とする直噴火花点火式内燃機関。
3. 【請求項３】点火プラグをシリンダヘッド下面に凹形成
   される燃焼室の略中央に配設し、 吸気ポートのシリンダ開口部下方若しくはその付近でシ
   リンダ外周近傍に噴口を臨ませて燃料噴射弁を配設する
   と共に、該燃料噴射弁から噴射される燃料の噴霧円錐角
   が７０°±２０°となるように設定し、かつ、噴口を通
   るシリンダ中心軸線の直交線よりピストン側に向けて燃
   料噴霧が進行するようにする一方、 ピストン冠面の排気側にシリンダヘッド下面に凹形成さ
   れる燃焼室壁と干渉しない程度にピストン外方からピス
   トン中心へ向けて徐々に隆起されシリンダヘッド側に凸
   に傾斜する平面部を形成し、 前記平面部の最大隆起部に相当する稜線が、点火プラグ
   から排気側に所定量オフセットされると共に、少なくと
   も燃料噴射開始から上死点後１２０°ＣＡ付近までの燃
   料噴射時期において、燃料噴霧の下方外縁線が当該稜線
   よりシリンダ下方を通過するように形成されたことを特
   徴とする直噴火花点火式内燃機関。
4. 【請求項４】燃料噴射終了時期を、上死点後９０°ＣＡ
   〜１２０°ＣＡに設定したことを特徴とする請求項２ま
   たは請求項３に記載の直噴火花点火式内燃機関。
5. 【請求項５】前記燃料噴射弁のシリンダヘッドへの取り
   付け俯角が、３５°±１０°であることを特徴とする請
   求項１〜請求項４の何れか１つに記載の直噴火花点火式
   内燃機関。
6. 【請求項６】シリンダ内に直接燃料を噴射する火花点火
   式内燃機関であって、 吸入空気が対向する排気弁下側のシリンダ壁面に衝突し
   てピストン頂面方向に下方に曲げられてシリンダ内に縦
   渦を形成するような形状の吸気ポートと、 吸気ポートのシリンダヘッド燃焼室開口部とシリンダボ
   アとの間で吸気ポート下側の燃焼室壁面に開口して燃料
   を噴射する燃料噴射弁と、 吸気弁と排気弁との間で略シリンダ中心に配置される点
   火プラグと、 吸気弁に対応する側が凹面をなし、排気弁側に滑らかに
   盛り上がって、点火プラグよりも排気弁側でシリンダヘ
   ッド側に凸の稜線を有する冠面形状をもつピストンと、 を含んで構成される直噴火花点火式内燃機関。
7. 【請求項７】シリンダ内に直接燃料を噴射する火花点火
   式内燃機関であって、 吸入空気が対向する排気弁下側のシリンダ壁面に衝突し
   てピストン頂面方向に下方に曲げられてシリンダ内に縦
   渦を形成するような形状の吸気ポートと、 吸気ポートのシリンダヘッド燃焼室開口部とシリンダボ
   アとの間で吸気ポート下側の燃焼室壁面に開口して燃料
   を噴射する燃料噴射弁と、 吸気弁と排気弁との間で略シリンダ中心に配置される点
   火プラグと、 吸気弁に対応する側が凹面をなし、排気弁側に滑らかに
   盛り上がって、点火プラグよりも排気弁側でシリンダヘ
   ッド側に凸の稜線を有し、この稜線から直線的に燃焼室
   ペントルーフ天井に沿って傾斜する斜面を有する冠面形
   状をもつピストンと、 を含んで構成される直噴火花点火式内燃機関。
8. 【請求項８】シリンダ内に直接燃料を噴射する火花点火
   式内燃機関であって、 吸入空気が対向する排気弁下側のシリンダ壁面に衝突し
   てピストン頂面方向に下方に曲げられてシリンダ内に縦
   渦を形成するような形状の吸気ポートと、 吸気ポートのシリンダヘッド燃焼室開口部とシリンダボ
   アとの間で吸気ポート 下側の燃焼室壁面に開口して燃料を噴射する燃料噴射弁
   と、吸気弁と排気弁との間で略シリンダ中心に配置され
   る点火プラグと、 吸気弁に対応する側が凹面をなし、排気弁側に滑らかに
   盛り上がって、点火プラグよりも排気弁側でシリンダヘ
   ッド側に凸の稜線を有し、この稜線から直線的に燃焼室
   ペントルーフ天井に沿って傾斜する斜面を有し、更に周
   縁部に凹面よりも高く上死点位置でシリンダヘッドと微
   小な間隙で相対するフラットな面の外周部を有する冠面
   形状をもつピストンと、 を含んで構成される直噴火花点火式内燃機関。
9. 【請求項９】前記稜線の最高部の高さは、上死点位置で
   燃料噴射弁の噴口部以上の高さであることを特徴とする
   請求項６〜請求項８のいずれか１つに記載の直噴火花点
   火式内燃機関。
10. 【請求項10】前記稜線の最高部の高さは、前記外周部よ
    りも高く、上死点位置で燃料噴射弁の噴口部以上の高さ
    であることを特徴とする請求項８に記載の直噴火花点火
    式内燃機関。
11. 【請求項11】前記凹面は、ピストン頂面上で吸気弁側か
    ら排気弁側へ向かう方向と略直角方向に同一高さの概略
    円筒面で形成されていることを特徴とする請求項６〜請
    求項10のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機
    関。
12. 【請求項12】燃焼室内に燃料噴射弁から燃料を噴射し、
    点火プラグによって火花点火を行う直噴火花点火式内燃
    機関において、 前記燃料噴射弁の燃料噴射期間を主として機関の吸気行
    程に設定すると共に、 該燃料噴射弁を、吸気ポートの下方あるいは底部に設置
    し、 該燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の円錐角αを７０
    °±２０°、該噴霧の中心軸とシリンダヘッド下面との
    なす角度θをα／２≦θ≦９０°−α／２に設定したこ
    とを特徴とする直噴火花点火式内燃機関。