JP3537347B2 - 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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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

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。成層燃焼を実施する際には、一般的に、燃
料噴射弁は、圧縮行程後半に燃料を噴射する。こうして
噴射された燃料は、ピストン頂面に形成された凹状の燃
焼室内へ進入し、燃焼室壁面から熱を奪って気化しなが
ら燃焼室形状によって点火プラグ方向へ偏向され、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】成層燃焼を実施するための筒内噴射式火花
点火内燃機関において、一般的に、点火プラグは気筒上
部略中心に配置され、燃料噴射弁は気筒上部周囲に配置
されており、燃焼室は、ピストン頂面略中央部から燃料
噴射弁側のピストン頂面周囲部へ延在しており、底壁
と、点火プラグ側側壁と、燃料噴射弁側側壁とを有して
いる。燃焼室内に噴射された燃料は、燃焼室の底壁に衝
突した後に、底壁に沿って点火プラグ側側壁方向に進行
し、その後、点火プラグ側側壁によって点火プラグ方向
に偏向されるようになっている。
【０００４】燃料を燃焼室壁面の熱によって良好に気化
させるためには、燃焼室壁面に沿っての燃料の移動距離
を延長させて、噴射された燃料を燃焼室壁面に長い時間
接触させることが必要である。燃焼室形状を変更するこ
となく、これを実現するために、燃料を燃焼室の底壁に
対して比較的大きな鋭角度で噴射することが提案されて
いる。それにより、燃料噴射弁の同じ噴孔位置におい
て、燃料を比較的小さな鋭角度で噴射する場合に比較し
て、燃料の底壁に対する衝突位置を燃焼室の点火プラグ
側側壁から遠ざけることができ、燃焼室の底壁上におけ
る燃料の移動距離を延長することが可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、燃料を
燃焼室の底壁に対して比較的大きな鋭角度で噴射する
と、底壁に衝突した燃料が分流して、全ての燃料が底壁
に沿って点火プラグ側側壁方向に進行せず、一部の燃料
が底壁に沿って燃料噴射弁側側壁方向に進行することが
ある。
【０００６】それにより、燃焼室の点火プラグ側側壁を
介して点火プラグ近傍に形成される可燃混合気の量は少
なくなり、意図する機関出力を発生させることができな
いだけでなく、燃焼室の燃料噴射弁側側壁方向に進行す
る燃料により形成される混合気を良好に燃焼させること
ができずに、未燃燃料の排出量が増大する可能性があ
る。
【０００７】従って、本発明の目的は、成層燃焼時に、
燃料をピストン頂面に形成されたキャビティの底壁に向
けて噴射して、底壁に沿わせて主にキャビティの点火プ
ラグ側側壁方向に進行させ、点火プラグ側側壁によって
偏向させ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、燃料がキャビティの壁面に衝突した後
に、キャビティの点火プラグ側側壁方向と燃料噴射弁側
側壁方向とに分流しても、噴射された全ての燃料を可燃
混合気として燃焼させて意図する機関出力を発生させる
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、点火プラグと、
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
燃料噴射弁側側壁とを有し、成層燃焼時に、前記燃料噴
射弁から燃料を前記キャビティの前記底壁に向けて噴射
し、噴射された燃料を前記底壁に沿わせて主に前記キャ
ビティの前記点火プラグ側側壁方向に進行させ、前記点
火プラグ側側壁によって偏向させ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、噴射され
た燃料の一部が、前記キャビティの底壁に沿って前記燃
料噴射弁側側壁方向に進行し、前記燃料噴射弁側側壁に
は前記一部の燃料を前記キャビティの内側方向に偏向す
るための返し部が設けられ、前記返し部の延長面を規定
する角度は、前記燃料噴噴射弁側側壁上を進行する前記
一部の燃料により形成される混合気が前記点火プラグ側
側壁方向に進行した燃料により形成された前記点火プラ
グ近傍の混合気に直接的に合流するように選択されてい
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、前記燃料噴射弁の噴孔
は、圧縮行程後半におけるピストン位置において、前記
燃料噴射弁の噴孔近傍における前記返し部の延長面に接
触することなく、前記延長面より外側に位置しているこ
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、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、燃料
を比較的厚さの薄い扇状に噴射することを特徴とする。
【００１１】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１に記載の筒内噴射
式火花点火内燃機関において、前記キャビティの前記点
火プラグ側側壁は平面視において円弧形状部分を有し、
前記燃料噴射弁の噴孔から前記点火プラグ側側壁までの
平面視における距離は、前記円弧形状の半径より長いこ
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
り、図２は図１における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、キャビティ８がピストン頂面に形成さ
れている。６は気筒上部略中心に配置された点火プラグ
である。
【００１３】燃料噴射弁７は、吸気ポート１側の気筒上
部周囲に配置され、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。ピストン頂面に形成されたキャ
ビティ８は、ピストン頂面略中央部から燃料噴射弁側の
ピストン頂面周囲部へ延在しており、底壁８ａと、点火
プラグ側側壁８ｂと、燃料噴射弁側側壁８ｃとを有して
いる。点火プラグ６は、燃料噴射弁７から噴射される扇
状燃料の扇夾角中心線上に位置しており、キャビティ８
の点火プラグ側側壁８ｂの内側を臨んでいる。
【００１４】燃料噴射弁７は、例えば、高い機関出力が
必要な均一燃焼領域において、吸気行程で必要燃料量を
噴射し、点火時点で気筒内に均一混合気を形成するよう
になっている。一方、成層燃焼領域においては、圧縮行
程後半に必要燃料量をキャビティ８内へ噴射するように
なっている。キャビティ８内へ噴射された燃料は、キャ
ビティ８の底壁８ａに衝突した後に、底壁８ａに沿って
点火プラグ側側壁８ｂ方向に進行させることが意図され
ている。底壁８ａ上を進行する燃料は、燃料扇夾角内を
放射状に広がるために、キャビティ壁面の広範囲から熱
を良好に吸収して徐々に気化する。
【００１５】キャビティ８の点火プラグ側側壁８ｂは、
底壁８ａと滑らかに接続されていることに加えて、平面
視において円弧形状部分を有しており、また、この円弧
形状部分の半径より、キャビティ８の底壁８ａ上を進行
する燃料の扇夾角中心から点火プラグ側側壁８ｂまでの
距離が長くなる関係となっているために、点火プラグ側
側壁８ｂに達した燃料各部は、あまり速度低下すること
なく、点火プラグ側側壁８ｂに沿って進行し、この際
に、上方向の速度成分が付与されると共に、点火プラグ
側側壁８ｂに対し平面視において鋭角度で衝突すること
によって燃料扇夾角中心線方向の速度成分も付与され
る。また、点火プラグ側側壁８ｂには第一返し部８ｄが
設けられているために、点火プラグ側側壁８ｂに沿って
進行する燃料各部は、最終的に、キャビティ８内側方向
に偏向させられる。
【００１６】こうして、噴射された燃料の全てが、キャ
ビティ８の底壁８ａ上を点火プラグ側側壁８ｂ方向に進
行して、点火プラグ側側壁８ｂ上で最終的に完全に気化
すれば、点火時点において、点火プラグ近傍には可燃混
合気が形成され、良好な成層燃焼を実現することができ
る。
【００１７】このように良好な成層燃焼を実現するため
には、先ず、噴射された燃料全てが点火時点において完
全に気化していることが必要であり、一部の燃料が液状
として存在すると、この液状燃料は良好に燃焼せずに、
未燃燃料として排出されることとなる。本実施形態で
は、キャビティ壁面の熱によって燃料を良好に気化させ
るために、キャビティ壁面に沿っての燃料の移動距離を
延長させて、噴射された燃料をキャビティ壁面に長い時
間接触させるようになっている。具体的には、燃料噴射
弁７は、燃料をキャビティ８の底壁８ａに対して比較的
大きな鋭角度で噴射するようになっており、それによ
り、燃料の底壁８ａに対する衝突位置をキャビティ８の
点火プラグ側側壁８ｂから遠ざけることができ、キャビ
ティ８の底壁８ａ上における燃料の移動距離を延長する
ことが可能となる。
【００１８】しかしながら、こうして燃料１０をキャビ
ティ８の底壁８ｂに対して比較的大きな鋭角度で噴射す
ると、図１及び２に示すように、底壁８ａに衝突した燃
料が、底壁８ａに沿って点火プラグ側側壁８ｂ方向に進
行する燃料１０ａと、底壁８ａに沿って燃料噴射弁側側
壁８ｃ方向に進行する燃料１０ｂとに分流する。
【００１９】量的には点火プラグ側側壁８ｂ方向に進行
する燃料１０ａが大部分であり、燃料噴射弁側側壁８ｃ
方向に進行する燃料１０ｂは少ないが、成層燃焼時に
は、現在の機関運転状態に対して必要最小限の燃料しか
噴射されないために、もし、噴射された燃料の一部が点
火プラグ６近傍に混合気として存在しないこととなる
と、意図する機関出力を発生させることができないだけ
でなく、この燃料の一部が点火時点において気化してい
ても良好に燃焼させることができずに、未燃燃料として
排出される可能性がある。
【００２０】本実施形態では、キャビティ８の燃料噴射
弁側側壁８ｃには、燃料をキャビティ８内側方向に偏向
させるための第二返し部８ｅが設けられている。それに
より、噴射された燃料の一部が、キャビティ８の底壁８
ａに沿って燃料噴射弁側側壁８ｃ方向に進行しても、こ
の燃料は、キャビティ８の底壁８ａ及び燃料噴射弁側側
壁８ｃから熱を吸収して徐々に気化しながら、燃料噴射
弁側側壁８ｃにより上方向の速度成分が付与され、さら
に、第二返し部８ｅによってキャビティ８内側方向に偏
向させられる。
【００２１】こうして、図３に示すように、点火時点に
おいて、キャビティ８の燃料噴射弁側側壁８ｃ方向に進
行する燃料により形成された混合気１０ｂ’は、気筒上
部のペントルーフ形状を利用して、点火プラグ６方向へ
移動するために、点火プラグ側側壁８ｂ方向に進行する
燃料により形成された点火プラグ近傍の混合気１０ａ’
と合流して一塊の可燃混合気となり、意図する機関出力
を発生させる良好な成層燃焼を実現することができる。
【００２２】第二返し部８ｅは、キャビティ８の燃料噴
射弁側側壁８ｃ上を進行する燃料をキャビティ８内側方
向に偏向させるものであれば、傾斜面でも円弧面でも良
く、第二返し部８ｅの延長面（第二返し部８ｅが円弧面
である場合には、先端の接線方向に延在する面となる）
の水平面に対する角度を比較的小さく適当に選択すれ
ば、キャビティ８の燃料噴射弁側側壁８ｃ上を進行する
燃料により形成される混合気１０ｂ’を、気筒上部のペ
ントルーフ形状を使用することなく、直接的に点火プラ
グ近傍の混合気１０ａに合流させることも可能である。
【００２３】また、燃料噴射弁７の噴孔近傍における第
二返し部８ｅの延長面Ｐは、図１及び３に示すように、
圧縮行程後半のピストン位置において、燃料噴射弁７の
噴孔に接触することなく、燃料噴射弁７の噴孔は、この
延長面Ｐより外側に位置するようになっている。
【００２４】それにより、キャビティ８の燃料噴射弁側
側壁８ｃ上を液状の燃料が進行しても、この液状燃料が
燃料噴射弁７の噴孔に付着してデポジットを形成するよ
うなことはない。こうして、燃料噴射弁７の噴孔にデポ
ジットが形成されて、燃料噴射弁７の単位時間当たりの
燃料噴射量が減少する問題を防止することができる。
【００２５】また、キャビティ８の燃料噴射弁側側壁８
ｃも平面視において円弧形状部分を有するようにし、こ
の円弧形状部分の半径より、キャビティ８の底壁８ａ上
を燃料噴射弁側側壁８ｃ方向に進行する燃料の扇夾角中
心から燃料噴射弁側側壁８ｃまでの距離が長くなるよう
にすれば、点火プラグ側側壁８ｂと同様に、燃料噴射弁
側側壁８ｃ方向に進行する燃料を燃料扇夾角中心線方向
へ収束させることができ、この燃料により形成される混
合気を、さらに確実に点火プラグ６方向に導くことがで
きる。
【００２６】ところで、吸気行程に燃料噴射が実施され
る均一燃焼では、成層燃焼時に比較して、機関負荷が高
いために燃料噴射量が多くなる。この多量の燃料を吸気
行程中に噴射するためには、吸気行程初期から燃料噴射
を開始する必要がある。この均一燃焼時には、噴射され
た燃料をキャビティ８の底壁８ａとの衝突時に分流させ
ることは、燃料を気筒内に広く分布させることが可能と
なり、点火時点において良好な均一混合気を形成する上
で有利となる。
【００２７】また、キャビティ８の点火プラグ側側壁８
ｂ方向にだけ多量の燃料が進行すると、キャビティ８の
底壁８ａと点火プラグ側側壁８ｂと境界部近傍に液状の
燃料が溜まり易く、この液状燃料は点火時点において十
分に気化しない可能性があり、未燃燃料として排出され
ることとなる。燃料の分流は、キャビティ８の燃料噴射
弁側側壁８ｃ方向への燃料を存在させることで、点火プ
ラグ側側壁８ｂ方向への燃料を減少させることができ、
前述の問題を解決することができる。こうして、本実施
形態によって、燃料の分流により成層燃焼時に発生する
問題が解決されるのに加え、燃料の分流を均一燃焼のた
めに積極的に利用することが可能となる。
【００２８】本実施形態における燃料噴射弁７は、燃料
を比較的厚さの薄い平らな扇状に噴射するものとした
が、これは本発明を限定するものではなく、キャビティ
８の燃料噴射弁側側壁８ｃに前述のような第二返し部８
ｅが設けられていれば、燃料が円錐状に噴射されても柱
状に噴射されても、成層燃焼時に燃料がキャビティの底
壁との衝突によって分流する場合に前述の効果を得るこ
とができる。
【００２９】
【発明の効果】このように、本発明によれば、点火プラ
グと、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
と燃料噴射弁側側壁とを有し、成層燃焼時に、燃料噴射
弁から燃料をキャビティの底壁に向けて噴射し、噴射さ
れた燃料を底壁に沿わせて主にキャビティの点火プラグ
側側壁方向に進行させ、点火プラグ側側壁によって偏向
させ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、噴射された燃料の一部が、キャビティの底
壁に沿って燃料噴射弁側側壁方向に進行し、燃料噴射弁
側側壁にはこの一部の燃料をキャビティの内側方向に偏
向するための返し部が設けられ、返し部の延長面を規定
する角度は、燃料噴噴射弁側側壁上を進行する一部の燃
料により形成される混合気が点火プラグ側側壁方向に進
行した燃料により形成された点火プラグ近傍の混合気に
直接的に合流するように選択されている。こうして、燃
料噴射弁側側壁方向に進行する一部の燃料により形成さ
れる混合気と、キャビティの底壁に沿って点火プラグ側
側壁方向に進行する燃料により点火プラグ近傍に形成さ
れる混合気とは一塊の可燃混合気となり、噴射された全
ての燃料を良好に成層燃焼させることができ、意図する
機関出力を発生させることが可能となる。
【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】点火時点における図１に相当する図である。
【符号の説明】
５…ピストン ６…点火プラグ ７…燃料噴射弁 ８…キャビティ ８ａ…底壁 ８ｂ…点火プラグ側側壁 ８ｃ…燃料噴射弁側側壁 ８ｄ…第一返し部 ８ｅ…第二返し部
───────────────────────────────────────────────────── 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 安部 静生 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 藤川 武敏 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 (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 (56)参考文献 特開 平６−101481（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−119507（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−79038（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−158736（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−187851（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−28526（ＪＰ，Ｕ) 実開 平２−43425（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02B 23/10 F02M 61/14 310

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 点火プラグと、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燃料噴射弁側側壁とを有
    し、成層燃焼時に、前記燃料噴射弁から燃料を前記キャ
    ビティの前記底壁に向けて噴射し、噴射された燃料を前
    記底壁に沿わせて主に前記キャビティの前記点火プラグ
    側側壁方向に進行させ、前記点火プラグ側側壁によって
    偏向させ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、噴射された燃料の一部が、前記キ
    ャビティの底壁に沿って前記燃料噴射弁側側壁方向に進
    行し、前記燃料噴射弁側側壁には前記一部の燃料を前記
    キャビティの内側方向に偏向するための返し部が設けら
    れ、前記返し部の延長面を規定する角度は、前記燃料噴
    噴射弁側側壁上を進行する前記一部の燃料により形成さ
    れる混合気が前記点火プラグ側側壁方向に進行した燃料
    により形成された前記点火プラグ近傍の混合気に直接的
    に合流するように選択さ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】 前記燃料噴射弁の噴孔は、圧縮行程後半
    におけるピストン位置において、前記燃料噴射弁の噴孔
    近傍における前記返し部の延長面に接触することなく、
    前記延長面より外側に位置し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】 前記燃料噴射弁は、燃料を比較的厚さの
    薄い扇状に噴射す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】 前記キャビティの前記点火プラグ側側壁
    は平面視において円弧形状部分を有し、前記燃料噴射弁
    の噴孔から前記点火プラグ側側壁までの平面視における
    距離は、前記円弧形状部分の半径より長いことを特徴と
    する請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
JP09668999A 1999-04-02 1999-04-02 筒内噴射式火花点火内燃機関 Expired - Fee Related JP3537347B2 (ja)

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