JP3585766B2 - ガソリン直噴エンジン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリンダヘッドおよびピストンの頂部間に形成される燃焼室の一部を構成するキャビティが、前記ピストンの頂部に設けられ、燃焼室にガソリンを直接噴射する燃料噴射弁ならびに燃焼室に臨む点火プラグがシリンダヘッドに取付けられるガソリン直噴エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、図１４で示すガソリン直噴エンジンや、図１５で示すガソリン直噴エンジンが知られている。而して図１４のガソリン直噴エンジンでは、ピストン１３４ の頂部に設けられるキャビティ２１１ 内にガソリンを噴射することを可能として、ピストン１３４ の軸線に対して傾斜した軸線を有する燃料噴射弁２２がシリンダヘッド１４に取付けられるとともに、該燃料噴射弁２２からのガソリン噴射流中に前端を臨ませるようにして点火プラグ２３がシリンダヘッド１４に取付けられており、燃料噴射弁２２から噴射されるガソリンを点火プラグ２３で着火せしめることにより、燃焼室１５１ 内で混合気が均一化する前にガソリンを燃焼させて希薄層状燃焼を可能としたものである。また図１５のガソリン直噴エンジンでは、燃焼室１５２ の側面に臨む燃料噴射弁２２がピストン１３５ の軸線に対して傾斜した軸線を有してシリンダヘッド１４に取付けられるとともに、燃焼室１５２ の天井面の略中央部に臨むようにしてシリンダヘッド１４に点火プラグ２３が取付けられ、ピストン１３５ の頂部には、燃料噴射弁２２からの噴射ガソリンのペネトレーションならびに燃焼室１５２ 内のスワール流によりガソリンを点火プラグ２３の近傍に導く形状でキャビティ２１２ が設けられており、圧縮行程の後期に燃料噴射弁２２からガソリンを噴射することにより希薄燃焼を可能としたものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記図１４で示したガソリン直噴エンジンのように、燃料噴射弁２２から噴射中のガソリンを点火プラグ２３の火花点火により着火せしめるようにしたものでは、燃焼室１５１ 内でのガソリンの気化および空気との混合が不充分であり、通常の点火システムでは安定した着火が困難であり、多重着火が必要となり、点火系システムの複雑化、コスト増大および点火プラグの電極摩耗等の問題が生じる。またガソリンおよび空気の混合が不充分であることに起因して、スモークが発生し易く、未燃ガソリンの排出量が比較的多くなり、排気ガス性状の悪化を招くとともに、燃焼期間が長くなって燃費の改善も困難であり、エンジン回転数、負荷の広い範囲で安定した希薄層状燃焼を行なうことができない。
【０００４】
また図１５で示したガソリン直噴エンジンの場合には、キャビティ２１２ の形状と燃焼室１５２ 内でのスワール流とにより、可燃混合気を点火プラグ２３近傍に集めて層状燃焼を行なうようにしているので、燃料噴射弁２２の噴射タイミングが制限され、エンジン回転数、負荷の広い範囲で安定した希薄層状燃焼を行なうことができない。また全負荷運転等で燃料噴射弁２２による早期噴射を行なって均一混合気を得ようとする場合には、噴射されたガソリンが燃料噴射弁とは反対側のシリンダ壁面に付着し易く、エンジン潤滑油の劣化や、エンジン本体の耐久性低下および排気ガス性状の悪化等を招く可能性がある。
【０００５】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、エンジン回転数・負荷の広い範囲で安定した希薄層状燃焼を可能とし、燃費の改善および排気ガス性状の向上を図ったガソリン直噴エンジンを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、シリンダヘッドおよびピストンの頂部間に形成される燃焼室の一部を構成するキャビティが、前記ピストンの頂部に設けられ、燃焼室にガソリンを直接噴射する燃料噴射弁と、燃焼室に臨む点火プラグとがシリンダヘッドに取付けられるガソリン直噴エンジンにおいて、燃焼室の天井面のほぼ中央部に臨む燃料噴射弁が、ピストンの軸線とほぼ平行な軸線を有してシリンダヘッドに取付けられ、前記燃料噴射弁に対応する第１位置および前記点火プラグに対応する第２位置間を結ぶ第１の直線上で第１および第２位置間に中心が配置されるキャビティが、前記燃料噴射弁に対応する側よりも前記点火プラグに対応する側を深くして前記燃料噴射弁および前記点火プラグの下方に配置され、前記第２位置に関して前記キャビティの中心とは反対側で前記第１の直線がキャビティの内周と交差する第３位置が設定され、前記燃焼室内に形成されるスワールの流れ方向に沿って前記第３位置から９０度以下の所定の偏位角度だけ上流側でキャビティの内周に第４位置が設定され、前記キャビティの底面は、前記第１の直線に沿う方向では前記第２位置側に向って深くなるように傾斜するとともに前記第４位置から前記第３位置側に向かうにつれて浅くなるように形成されることを特徴とする。
【０００７】
このような請求項１記載の発明の構成によれば、ピストンの軸線とほぼ平行な軸線を有する燃料噴射弁から噴射されるガソリンが、該燃料噴射弁の下方に配置されるピストンのキャビティ内に直接噴射されることになり、該キャビティ内では、ガソリンおよび空気の混合気が縦渦を形成し、気化したガソリンおよび空気の良好な成層状態の混合気がキャビティ内に保持される。しかもキャビティは燃料噴射弁に対応する側よりも点火プラグに対応する側を深くして形成されているので、可燃混合気がより長時間にわたってキャビティ内に保持されることにより多重着火を不要とした通常の点火システムによる安定した着火が可能となり、燃料噴射弁による噴射タイミングの自由度を大としつつ、エンジン回転数・負荷の広い範囲で安定した希薄層状燃焼が可能となり、燃費の改善および排気ガス性状の向上を図ることができる。また燃料噴射弁からキャビティ内に噴射されたガソリンおよび空気の混合気を点火プラグ側に集めて着火をより確実にし、良好な燃焼安定性および燃費の低減を図ることができ、さらにキャビティ内の混合気が燃焼室内に生じているスワールにより第４位置から第３位置側すなわち点火プラグ側に流れるようにして、点火プラグによる着火をより確実とし、燃焼安定性のより一層の向上を図るとともに燃費の低減をより一層図ることができる。
【０００８】
また請求項２記載の発明は、シリンダヘッドおよびピストンの頂部間に形成される燃焼室の一部を構成するキャビティが、前記ピストンの頂部に設けられ、燃焼室にガソリンを直接噴射する燃料噴射弁と、燃焼室に臨む点火プラグとがシリンダヘッドに取付けられるガソリン直噴エンジンにおいて、燃焼室の天井面のほぼ中央部に臨む燃料噴射弁が、ピストンの軸線とほぼ平行な軸線を有してシリンダヘッドに取付けられ、前記燃料噴射弁に対応する第１位置および前記点火プラグに対応する第２位置間を結ぶ第１の直線上で第１および第２位置間に中心が配置されるキャビティが、前記燃料噴射弁に対応する側よりも前記点火プラグに対応する側を深くして前記燃料噴射弁および前記点火プラグの下方に配置され、前記第２位置に関して前記キャビティの中心とは反対側で前記第１の直線がキャビティの内周と交差する第３位置が設定され、前記燃焼室内に形成されるスワールの流れ方向に沿って前記第３位置から９０度以下の所定の偏位角度だけ上流側でキャビティの内周に第４位置が設定され、前記キャビティの底面は、前記第１の直線に沿う方向では前記第２位置側に向って深くなるように傾斜するとともに前記キャビティの中心および第４位置を通る第２の直線上では第４位置側に向うにつれて深くなるが第２の直線から両側に離反するにつれて浅くなるように形成されることを特徴とする。
【０００９】
このような請求項２記載の発明の構成によれば、ピストンの軸線とほぼ平行な軸線を有する燃料噴射弁から噴射されるガソリンが、該燃料噴射弁の下方に配置されるピストンのキャビティ内に直接噴射されることになり、該キャビティ内では、ガソリンおよび空気の混合気が縦渦を形成し、気化したガソリンおよび空気の良好な成層状態の混合気がキャビティ内に保持される。しかもキャビティは燃料噴射弁に対応する側よりも点火プラグに対応する側を深くして形成されているので、可燃混合気がより長時間にわたってキャビティ内に保持されることにより多重着火を不要とした通常の点火システムによる安定した着火が可能となり、燃料噴射弁による噴射タイミングの自由度を大としつつ、エンジン回転数・負荷の広い範囲で安定した希薄層状燃焼が可能となり、燃費の改善および排気ガス性状の向上を図ることができる。またキャビティ内の混合気を第２の直線に沿って第４位置側に導き、第４位置でキャビティの内面に沿って上昇した混合気が燃焼室内に生じているスワールにより点火プラグ側に流れるようにして、点火プラグによる着火をより確実とし、燃焼安定性のより一層の向上を図るとともに燃費の低減をより一層図ることができる。
【００１０】
請求項３記載の発明は、上記請求項２記載の発明の構成に加えて、前記第２の直線（Ｌ２）が、第４位置（Ｐ４）とは反対側でキャビティ（２１）の内周と交差する位置（Ｐ６）の深さが最も浅くなるように前記キャビティ（２１）の底面が形成されることを特徴とする。
【００１１】
このような請求項３記載の発明の構成によれば、キャビティ内の混合気を第２の直線に沿って第４位置側により効果的に導き、燃焼安定性の向上および燃費の低減をより一層効果的に図ることができる。
【００１２】
さらに請求項４記載の発明は、上記請求項１ないし３のいずれかに記載の発明の構成に加えて、前記ピストンは、ピストン主体と、前記キャビティを形成するキャビティ形成部材とが、前記キャビティ内面および前記ピストン主体間を断熱して相互に結合されて成ることを特徴とし、かかる構成によれば、キャビティの内面を比較的高温に保ち、燃焼室内でのガソリンの気化をより一層促進して、燃焼効率の向上を図ることができ、より一層安定した希薄燃焼を実現することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【００１４】
図１ないし図９は本発明の第１実施例を示すものであり、図１はガソリン直噴エンジンの要部縦断面図であって図２の１−１線に沿う断面図、図２はピストンの平面図、図３は図２の３−３線に沿うピストンの要部縦断面図、図４は図２の４−４線に沿うピストンの要部縦断面図、図５はキャビティの深さの周方向に沿う変化を示す図、図６は正味仕事に対する燃料消費率の変化特性を示す図、図７は機関回転数に対するスモーク発生率の変化特性を示す図、図８はキャビティの底面傾斜角度による燃焼変動率および燃料消費率の変化特性を示す図、図９は偏位角度による燃焼変動率および燃料消費率の変化特性を示す図である。
【００１５】
先ず図１ないし図４において、シリンダブロック１１に設けられるシリンダボア１２に摺動可能に嵌合されるピストン１３１ の頂部と、シリンダブロック１１に結合されるシリンダヘッド１４との間には燃焼室１５が形成されており、シリンダヘッド１４には、シリンダボア１２に対して１つずつの吸気ポート１６および排気ポート１７がシリンダヘッド１４の両側面に開口するようにしてそれぞれ設けられる。
【００１６】
またシリンダヘッド１４には、燃焼室１５および吸気ポート１６間の連通、遮断を切換える一対の吸気弁１８１ ，１８２ が配設されるとともに、燃焼室１５および排気ポート１７間の連通、遮断を切換える一対の排気弁１９１ ，１９２ が配設されており、両吸気弁１８１ ，１８２ を開閉駆動する動弁機構（図示せず）は、両吸気弁１８１ ，１８２ の一方１８１ を開閉作動せしめるが他方の吸気弁１８２ を休止せしめて、燃焼室１５内に図２の矢印２０で示す流れ方向のスワールを形成することができる。
【００１７】
ピストン１３１ の頂部には、前記燃焼室１５の一部を構成する円形のキャビティ２１が、たとえばピストン１３１ の上死点での燃焼室１５の体積の２３〜２５％を占めるようにして設けられており、シリンダヘッド１４には、ピストン１３１ の軸線とほぼ平行な軸線を有する燃料噴射弁２２が、前記燃焼室１５にガソリンを直接噴射することを可能として、燃焼室１５の天井面のほぼ中央部に臨むように取付けられる。またシリンダヘッド１４には、ピストン１３１ の軸線に対して傾斜した軸線を有して両排気弁１９１ ，１９２ 間に配置される点火プラグ２３が燃焼室１５内に前端を突入させるようにして取付けられる。
【００１８】
前記キャビティ２１は、燃料噴射弁２２および点火プラグ２３の下方に配置されるようにしてピストン１３１ の頂部に設けられ、燃料噴射弁２２に対応する側よりも点火プラグ２３に対応する側を深くして形成される。
【００１９】
しかも前記キャビティ２１は、前記燃料噴射弁２２に対応する第１位置Ｐ１および前記点火プラグ２３に対応する第２位置Ｐ２間を結ぶ第１の直線Ｌ１上で両位置Ｐ１，Ｐ２間の中間部に該キャビティ２１の中心Ｃが配置されるようにして前記ピストン１３１ の頂部に設けられる。
【００２０】
また前記第２位置Ｐ２に関して前記キャビティ２１の中心Ｃとは反対側で前記第１の直線Ｌ１がキャビティ２１の内周と交差する第３位置Ｐ３から、前記燃焼室１５内に形成されるスワールの流れ方向２０に沿って９０度以下の所定の偏位角度αだけ上流側でキャビティ２１の内周に第４位置Ｐ４が設定されており、第４位置Ｐ４および前記キャビティ２１の中心Ｃを通る第２の直線Ｌ２上では第４位置Ｐ４側に向うにつれて深くなるが第２の直線Ｌ２から両側に離反するにつれてキャビティ２１が浅くなるように前記キャビティ２１の底面が形成される。
【００２１】
このようなキャビティ２１の内周部の深さは、図５で示すように、周方向に沿って変化するものであり、第３位置Ｐ３から図２の反時計方向に沿って偏位角度αの位置すなわち第４位置Ｐ４で最も深くなり、第４位置Ｐ４から９０度だけ図２の反時計方向に移動した第５位置Ｐ５で最も浅くなり、第５位置から９０度だけ図２の反時計方向に移動した第６位置Ｐ６すなわち第２の直線Ｌ２上で第４位置Ｐ４とは反対側の位置では第４位置Ｐ４よりも浅くなり、第６位置Ｐ６から９０度だけ図２の反時計方向に移動した第７位置Ｐ７でも上記第５位置Ｐ５と同様に最も浅くなる。
【００２２】
このようなキャビティ２１の底面形状によれば、第１の直線Ｌ１に沿う断面でのキャビティ２１の底面は、図１で示すように、第２位置Ｐ２側に向って深くなるように傾斜角度θで傾斜して形成されることになる。
【００２３】
次にこの第１実施例の作用について説明すると、燃焼室１５の天井面のほぼ中央部に臨む燃料噴射弁２２が、ピストン１３１ の軸線とほぼ平行な軸線を有してシリンダヘッド１４に取付けられ、燃料噴射弁２２および点火プラグ２３の下方に配置されてキャビティ２１がピストン１３１ の頂部に設けられている。したがって燃料噴射弁２２から噴射されるガソリンが、キャビティ２１内に直接噴射されることになり、該キャビティ２１内では、ガソリンおよび空気の混合気が縦渦を形成し、気化したガソリンおよび空気の良好な成層状態の混合気がキャビティ２１内に保持され、その成層状態の混合気が点火プラグ２３により着火される。しかもキャビティ２１は燃料噴射弁２２に対応する側よりも点火プラグ２３に対応する側を深くして形成されているので、可燃混合気がより長時間にわたってキャビティ２１内に保持されることにより多重着火を不要とした通常の点火システムによる安定した着火が可能となり、燃料噴射弁２２による噴射タイミングの自由度を大としつつ、エンジン回転数・負荷の広い範囲で安定した希薄層状燃焼が可能となり、燃費の改善および排気ガス性状の向上を図ることができる。
【００２４】
ここで、図１４および図１５で示した従来技術のような斜め噴射の場合と、本発明に従って直立状態とした燃料噴射弁２２による燃焼室１５内へのガソリン噴射の場合（センター噴射の場合）とで、正味仕事に対する燃料消費率の変化を比較すると、図６で示すようになり、センター噴射の場合の方が燃料消費率を低くし得ることが明らかである。また上記斜め噴射の場合と、本発明に従うセンター噴射の場合とで、機関回転数に対するスモーク発生率の変化を比較すると、図７で示すようになり、センター噴射の場合にはスモーク発生率をほぼ「０」に抑えることができるのに対し、斜め噴射の場合にはスモークの発生が避けられないことがわかる。
【００２５】
またキャビティ２１は、燃料噴射弁２２に対応する第１位置Ｐ１および点火プラグ２３に対応する第２位置Ｐ２間を結ぶ第１の直線Ｌ１上で両位置Ｐ１，Ｐ２間の中間部にキャビティ２１の中心Ｃが配置されるようにしてピストン１３１ の頂部に設けられており、第１の直線Ｌ１に沿う方向でのキャビティ２１の底面は、第２位置Ｐ２側に向って深くなるように、たとえば傾斜角度θで傾斜して形成されている。したがって燃料噴射弁２２からキャビティ２１内に噴射されたガソリンおよび空気の混合気を点火プラグ２３側に集めて着火をより確実にし、良好な燃焼安定性および燃費の低減を図ることができる。
【００２６】
ここで、前記傾斜角度θを変化させたときに燃焼変動率および燃料消費率は、図８で示すように変化するものであり、安定燃焼域として、傾斜角度θを５〜２０度に設定することが望まれる。
【００２７】
さらに第２位置Ｐ２に関してキャビティ２１の中心Ｃとは反対側で第１の直線Ｌ１がキャビティ２１の内周と交差する第３位置Ｐ３が設定されるとともに、燃焼室１５内に形成されるスワールの流れ方向２０に沿って第３位置Ｐ３から９０度以下の所定の偏位角度αだけ上流側でキャビティ２１の内周に第４位置Ｐ４が設定され、キャビティ２１の中心Ｃおよび第４位置Ｐ４を通る第２の直線Ｌ２上ではキャビティ２１の深さが第４位置Ｐ４側に向うにつれて深くなるが第２の直線Ｌ２から両側に離反するにつれて浅くなるようにキャビティ２１の底面が形成されている。
【００２８】
したがって、キャビティ２１内の混合気を第２の直線Ｌ２に沿って第４位置Ｐ４側に導き、第４位置Ｐ４でキャビティ２１の内面に沿って上昇した混合気が燃焼室１５内に生じているスワールにより点火プラグ２３側に流れるようにすることができ、点火プラグ２３による着火をより確実とし、燃焼安定性のより一層の向上を図るとともに燃費の低減をより一層図ることができる。
【００２９】
ここで、前記偏位角度αを変化させたときに燃焼変動率および燃料消費率は、図９で示すように変化するものであり、安定燃焼域として、偏位角度αを３０〜９０度に設定することが望まれる。
【００３０】
本発明の第２実施例として、キャビティ２１の内周部の深さが図１０で示すように周方向に沿って変化するように設定されていてもよい。すなわち燃料噴射弁２２に対応する第１位置Ｐ１および点火プラグ２３に対応する第２位置Ｐ２間を結ぶ第１の直線Ｌ１が、第２位置Ｐ２に関してキャビティ２１の中心Ｃとは反対側でキャビティ２１の内周と交差する第３位置Ｐ３から、図１０の反時計方向に沿って偏位角度αの位置すなわち第４位置Ｐ４でキャビティ２１の内周部の深さが最も深くなり、第４位置Ｐ４から９０度だけ図２の反時計方向に移動した第５位置Ｐ５では前記内周部の深さが第４位置Ｐ４よりも浅くなり、第５位置から９０度だけ図１０の反時計方向に移動した第６位置Ｐ６すなわち第２の直線Ｌ２上で第４位置Ｐ４とは反対側の位置では前記内周部の深さが最も浅くなり、第６位置Ｐ６から９０度だけ図１０の反時計方向に移動した第７位置Ｐ７では上記第４位置Ｐ４よりも前記内周部の深さが浅くなる。
【００３１】
この第２実施例によれば、キャビティ２１内の混合気を第２の直線Ｌ２に沿って第４位置Ｐ４側により効果的に導くことができ、燃焼安定性の向上および燃費の低減をより一層効果的に図ることができる。
【００３２】
図１１は本発明の第３実施例を示すものであり、このピストン１３２ は、シリンダボア１２（図１参照）に摺動自在に嵌合されるピストン主体２５１ の頂部に、キャビティ２１を形成するキャビティ形成部材２６１ が、鋳込み等により一体に結合されて成るものであり、キャビティ形成部材２６１ は、ピストン主体２５１ を構成する金属材料よりも熱伝導率の低い金属材料により形成される。
【００３３】
すなわちピストン１３２ は、ピストン主体２５１ と、キャビティ２１を形成するキャビティ形成部材２６１ とが、キャビティ２１の内面およびピストン主体２５１ 間を断熱して相互に結合されて成るものである。
【００３４】
このような第３実施例によれば、キャビティ２１の内面を比較的高温に保ち、燃焼室１５（図１参照）内でのガソリンの気化をより一層促進して、燃焼効率の向上を図ることができ、より一層安定した希薄燃焼を実現することができる。すなわち、図１２で示すように、キャビティ２１の内面温度が上昇するにつれて、ガソリン細滴量は大きく変化することはないものの、キャビティ２１内での蒸発量が増大するとともに壁面付着量が減少するものであり、キャビティ２１の内面およびピストン主体２５１ 間が断熱されることによって、より一層安定した希薄燃焼が可能となる。
【００３５】
図１３は本発明の第４実施例を示すものであり、このピストン１３３ は、シリンダボア１２（図１参照）に摺動自在に嵌合されるピストン主体２５２ の頂部に、キャビティ２１を形成するキャビティ形成部材２６２ が、連結リング２７を介して連結されて成るものである。
【００３６】
キャビティ形成部材２６２ および連結リング２７は、ピストン主体２５２ と同一である金属材料またはピストン主体２５２ を構成する金属材料よりも熱伝導率の低い金属材料により構成されるものであり、連結リング２７が１または複数のボルト２８でピストン主体２５２ に締結された状態で該連結リング２７にキャビティ形成部材２６２ が溶接される。而して連結リング２７に溶接された状態でのキャビティ形成部材２６２ およびピストン主体２５２ 間には空気断熱層２９が形成される。
【００３７】
この第４実施例によっても、ピストン主体２５２ と、キャビティ形成部材２６２ とが、キャビティ２１の内面およびピストン主体２５２ 間を断熱して相互に結合されてピストン１３３ が構成されることになり、上記第２実施例と同様の効果を奏することができる。
【００３８】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行なうことが可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように請求項１記載の発明によれば、キャビティ内でガソリンおよび空気の混合気が縦渦を形成するようにして、気化したガソリンおよび空気の良好な成層状態の混合気をキャビティ内に保持することができ、キャビティが燃料噴射弁に対応する側よりも点火プラグに対応する側を深くして形成されていることにより着火を不要とした通常の点火システムによる安定した着火が可能となり、燃料噴射弁による噴射タイミングの自由度を大としつつ、エンジン回転数・負荷の広い範囲で安定した希薄層状燃焼が可能となり、燃費の改善および排気ガス性状の向上を図ることができる。また燃料噴射弁からキャビティ内に噴射されたガソリンおよび空気の混合気を点火プラグ側に集めて着火をより確実にし、良好な燃焼安定性および燃費の低減を図ることができ、さらに混合気が燃焼室内に生じているスワールにより第４位置から第３位置側すなわち点火プラグ側に流れるようにして、点火プラグによる着火をより確実とし、燃焼安定性のより一層の向上を図るとともに燃費の低減をより一層図ることができる。
【００４０】
また請求項２記載の発明によれば、キャビティ内でガソリンおよび空気の混合気が縦渦を形成するようにして、気化したガソリンおよび空気の良好な成層状態の混合気をキャビティ内に保持することができ、キャビティが燃料噴射弁に対応する側よりも点火プラグに対応する側を深くして形成されていることにより着火を不要とした通常の点火システムによる安定した着火が可能となり、燃料噴射弁による噴射タイミングの自由度を大としつつ、エンジン回転数・負荷の広い範囲で安定した希薄層状燃焼が可能となり、燃費の改善および排気ガス性状の向上を図ることができる。またキャビティ内の混合気を第２の直線に沿って第４位置側に導き、第４位置でキャビティの内面に沿って上昇した混合気が燃焼室内に生じているスワールにより点火プラグ側に流れるようにして、点火プラグによる着火をより確実とし、燃焼安定性のより一層の向上を図るとともに燃費の低減をより一層図ることができる。
【００４２】
請求項３記載の発明によれば、キャビティ内の混合気を第２の直線に沿って第４位置側により効果的に導き、燃焼安定性の向上および燃費の低減をより一層効果的に図ることができる。
【００４３】
さらに請求項４記載の発明によれば、キャビティの内面を比較的高温に保ち、燃焼室内でのガソリンの気化をより一層促進して、燃焼効率の向上を図ることができ、より一層安定した希薄燃焼を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例のガソリン直噴エンジンの要部縦断面図であって図２の１−１線に沿う断面図である。
【図２】ピストンの平面図である。
【図３】図２の３−３線に沿うピストンの要部縦断面図である。
【図４】図２の４−４線に沿うピストンの要部縦断面図である。
【図５】キャビティの深さの周方向に沿う変化を示す図である。
【図６】正味仕事に対する燃料消費率の変化特性を示す図である。
【図７】機関回転数に対するスモーク発生率の変化特性を示す図である。
【図８】キャビティの底面傾斜角度による燃焼変動率および燃料消費率の変化特性を示す図である。
【図９】偏位角度による燃焼変動率および燃料消費率の変化特性を示す図である。
【図１０】第２実施例でのキャビティの深さの周方向に沿う変化を示す図である。
【図１１】第３実施例におけるピストンの縦断面図である。
【図１２】キャビティの内面温度変化によるガソリン蒸発量、浮遊細滴および壁面付着量の変化を示す図である。
【図１３】第４実施例におけるピストンの縦断面図である。
【図１４】従来技術の一例でのガソリン直噴エンジンの要部縦断面図である。
【図１５】従来技術の他の例でのガソリン直噴エンジンの要部縦断面図である。
【符号の説明】
１３１ ，１３２ ，１３３ ・・・ピストン
１４・・・シリンダヘッド
１５・・・燃焼室
２１・・・キャビティ
２２・・・燃料噴射弁
２３・・・点火プラグ
２０・・・スワールの流れ方向
２５１ ，２５２ ・・・ピストン主体
２６１ ，２６２ ・・・キャビティ形成部材
α・・・偏位角度
Ｃ・・・キャビティの中心
Ｌ１・・・第１の直線
Ｌ２・・・第２の直線
Ｐ１・・・第１位置
Ｐ２・・・第２位置
Ｐ３・・・第３位置
Ｐ４・・・第４位置
Ｐ６・・・第４位置とは反対側で第２の直線がキャビティの内周と交差する位置
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリンダヘッドおよびピストンの頂部間に形成される燃焼室の一部を構成するキャビティが、前記ピストンの頂部に設けられ、燃焼室にガソリンを直接噴射する燃料噴射弁ならびに燃焼室に臨む点火プラグがシリンダヘッドに取付けられるガソリン直噴エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、図１４で示すガソリン直噴エンジンや、図１５で示すガソリン直噴エンジンが知られている。而して図１４のガソリン直噴エンジンでは、ピストン１３４ の頂部に設けられるキャビティ２１１ 内にガソリンを噴射することを可能として、ピストン１３４ の軸線に対して傾斜した軸線を有する燃料噴射弁２２がシリンダヘッド１４に取付けられるとともに、該燃料噴射弁２２からのガソリン噴射流中に前端を臨ませるようにして点火プラグ２３がシリンダヘッド１４に取付けられており、燃料噴射弁２２から噴射されるガソリンを点火プラグ２３で着火せしめることにより、燃焼室１５１ 内で混合気が均一化する前にガソリンを燃焼させて希薄層状燃焼を可能としたものである。また図１５のガソリン直噴エンジンでは、燃焼室１５２ の側面に臨む燃料噴射弁２２がピストン１３５ の軸線に対して傾斜した軸線を有してシリンダヘッド１４に取付けられるとともに、燃焼室１５２ の天井面の略中央部に臨むようにしてシリンダヘッド１４に点火プラグ２３が取付けられ、ピストン１３５ の頂部には、燃料噴射弁２２からの噴射ガソリンのペネトレーションならびに燃焼室１５２ 内のスワール流によりガソリンを点火プラグ２３の近傍に導く形状でキャビティ２１２ が設けられており、圧縮行程の後期に燃料噴射弁２２からガソリンを噴射することにより希薄燃焼を可能としたものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記図１４で示したガソリン直噴エンジンのように、燃料噴射弁２２から噴射中のガソリンを点火プラグ２３の火花点火により着火せしめるようにしたものでは、燃焼室１５１ 内でのガソリンの気化および空気との混合が不充分であり、通常の点火システムでは安定した着火が困難であり、多重着火が必要となり、点火系システムの複雑化、コスト増大および点火プラグの電極摩耗等の問題が生じる。またガソリンおよび空気の混合が不充分であることに起因して、スモークが発生し易く、未燃ガソリンの排出量が比較的多くなり、排気ガス性状の悪化を招くとともに、燃焼期間が長くなって燃費の改善も困難であり、エンジン回転数、負荷の広い範囲で安定した希薄層状燃焼を行なうことができない。
【０００４】
また図１５で示したガソリン直噴エンジンの場合には、キャビティ２１２ の形状と燃焼室１５２ 内でのスワール流とにより、可燃混合気を点火プラグ２３近傍に集めて層状燃焼を行なうようにしているので、燃料噴射弁２２の噴射タイミングが制限され、エンジン回転数、負荷の広い範囲で安定した希薄層状燃焼を行なうことができない。また全負荷運転等で燃料噴射弁２２による早期噴射を行なって均一混合気を得ようとする場合には、噴射されたガソリンが燃料噴射弁とは反対側のシリンダ壁面に付着し易く、エンジン潤滑油の劣化や、エンジン本体の耐久性低下および排気ガス性状の悪化等を招く可能性がある。
【０００５】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、エンジン回転数・負荷の広い範囲で安定した希薄層状燃焼を可能とし、燃費の改善および排気ガス性状の向上を図ったガソリン直噴エンジンを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、シリンダヘッドおよびピストンの頂部間に形成される燃焼室の一部を構成するキャビティが、前記ピストンの頂部に設けられ、燃焼室にガソリンを直接噴射する燃料噴射弁と、燃焼室に臨む点火プラグとがシリンダヘッドに取付けられるガソリン直噴エンジンにおいて、燃焼室の天井面のほぼ中央部に臨む燃料噴射弁が、ピストンの軸線とほぼ平行な軸線を有してシリンダヘッドに取付けられ、前記燃料噴射弁に対応する第１位置および前記点火プラグに対応する第２位置間を結ぶ第１の直線上で第１および第２位置間に中心が配置されるキャビティが、前記燃料噴射弁に対応する側よりも前記点火プラグに対応する側を深くして前記燃料噴射弁および前記点火プラグの下方に配置され、前記第２位置に関して前記キャビティの中心とは反対側で前記第１の直線がキャビティの内周と交差する第３位置が設定され、前記燃焼室内に形成されるスワールの流れ方向に沿って前記第３位置から９０度以下の所定の偏位角度だけ上流側でキャビティの内周に第４位置が設定され、前記キャビティの底面は、前記第１の直線に沿う方向では前記第２位置側に向って深くなるように傾斜するとともに前記第４位置から前記第３位置側に向かうにつれて浅くなるように形成されることを特徴とする。
【０００７】
このような請求項１記載の発明の構成によれば、ピストンの軸線とほぼ平行な軸線を有する燃料噴射弁から噴射されるガソリンが、該燃料噴射弁の下方に配置されるピストンのキャビティ内に直接噴射されることになり、該キャビティ内では、ガソリンおよび空気の混合気が縦渦を形成し、気化したガソリンおよび空気の良好な成層状態の混合気がキャビティ内に保持される。しかもキャビティは燃料噴射弁に対応する側よりも点火プラグに対応する側を深くして形成されているので、可燃混合気がより長時間にわたってキャビティ内に保持されることにより多重着火を不要とした通常の点火システムによる安定した着火が可能となり、燃料噴射弁による噴射タイミングの自由度を大としつつ、エンジン回転数・負荷の広い範囲で安定した希薄層状燃焼が可能となり、燃費の改善および排気ガス性状の向上を図ることができる。また燃料噴射弁からキャビティ内に噴射されたガソリンおよび空気の混合気を点火プラグ側に集めて着火をより確実にし、良好な燃焼安定性および燃費の低減を図ることができ、さらにキャビティ内の混合気が燃焼室内に生じているスワールにより第４位置から第３位置側すなわち点火プラグ側に流れるようにして、点火プラグによる着火をより確実とし、燃焼安定性のより一層の向上を図るとともに燃費の低減をより一層図ることができる。
【０００８】
また請求項２記載の発明は、シリンダヘッドおよびピストンの頂部間に形成される燃焼室の一部を構成するキャビティが、前記ピストンの頂部に設けられ、燃焼室にガソリンを直接噴射する燃料噴射弁と、燃焼室に臨む点火プラグとがシリンダヘッドに取付けられるガソリン直噴エンジンにおいて、燃焼室の天井面のほぼ中央部に臨む燃料噴射弁が、ピストンの軸線とほぼ平行な軸線を有してシリンダヘッドに取付けられ、前記燃料噴射弁に対応する第１位置および前記点火プラグに対応する第２位置間を結ぶ第１の直線上で第１および第２位置間に中心が配置されるキャビティが、前記燃料噴射弁に対応する側よりも前記点火プラグに対応する側を深くして前記燃料噴射弁および前記点火プラグの下方に配置され、前記第２位置に関して前記キャビティの中心とは反対側で前記第１の直線がキャビティの内周と交差する第３位置が設定され、前記燃焼室内に形成されるスワールの流れ方向に沿って前記第３位置から９０度以下の所定の偏位角度だけ上流側でキャビティの内周に第４位置が設定され、前記キャビティの底面は、前記第１の直線に沿う方向では前記第２位置側に向って深くなるように傾斜するとともに前記キャビティの中心および第４位置を通る第２の直線上では第４位置側に向うにつれて深くなるが第２の直線から両側に離反するにつれて浅くなるように形成されることを特徴とする。
【０００９】
このような請求項２記載の発明の構成によれば、ピストンの軸線とほぼ平行な軸線を有する燃料噴射弁から噴射されるガソリンが、該燃料噴射弁の下方に配置されるピストンのキャビティ内に直接噴射されることになり、該キャビティ内では、ガソリンおよび空気の混合気が縦渦を形成し、気化したガソリンおよび空気の良好な成層状態の混合気がキャビティ内に保持される。しかもキャビティは燃料噴射弁に対応する側よりも点火プラグに対応する側を深くして形成されているので、可燃混合気がより長時間にわたってキャビティ内に保持されることにより多重着火を不要とした通常の点火システムによる安定した着火が可能となり、燃料噴射弁による噴射タイミングの自由度を大としつつ、エンジン回転数・負荷の広い範囲で安定した希薄層状燃焼が可能となり、燃費の改善および排気ガス性状の向上を図ることができる。またキャビティ内の混合気を第２の直線に沿って第４位置側に導き、第４位置でキャビティの内面に沿って上昇した混合気が燃焼室内に生じているスワールにより点火プラグ側に流れるようにして、点火プラグによる着火をより確実とし、燃焼安定性のより一層の向上を図るとともに燃費の低減をより一層図ることができる。
【００１０】
請求項３記載の発明は、上記請求項２記載の発明の構成に加えて、前記第２の直線（Ｌ２）が、第４位置（Ｐ４）とは反対側でキャビティ（２１）の内周と交差する位置（Ｐ６）の深さが最も浅くなるように前記キャビティ（２１）の底面が形成されることを特徴とする。
【００１１】
このような請求項３記載の発明の構成によれば、キャビティ内の混合気を第２の直線に沿って第４位置側により効果的に導き、燃焼安定性の向上および燃費の低減をより一層効果的に図ることができる。
【００１２】
さらに請求項４記載の発明は、上記請求項１ないし３のいずれかに記載の発明の構成に加えて、前記ピストンは、ピストン主体と、前記キャビティを形成するキャビティ形成部材とが、前記キャビティ内面および前記ピストン主体間を断熱して相互に結合されて成ることを特徴とし、かかる構成によれば、キャビティの内面を比較的高温に保ち、燃焼室内でのガソリンの気化をより一層促進して、燃焼効率の向上を図ることができ、より一層安定した希薄燃焼を実現することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【００１４】
図１ないし図９は本発明の第１実施例を示すものであり、図１はガソリン直噴エンジンの要部縦断面図であって図２の１−１線に沿う断面図、図２はピストンの平面図、図３は図２の３−３線に沿うピストンの要部縦断面図、図４は図２の４−４線に沿うピストンの要部縦断面図、図５はキャビティの深さの周方向に沿う変化を示す図、図６は正味仕事に対する燃料消費率の変化特性を示す図、図７は機関回転数に対するスモーク発生率の変化特性を示す図、図８はキャビティの底面傾斜角度による燃焼変動率および燃料消費率の変化特性を示す図、図９は偏位角度による燃焼変動率および燃料消費率の変化特性を示す図である。
【００１５】
先ず図１ないし図４において、シリンダブロック１１に設けられるシリンダボア１２に摺動可能に嵌合されるピストン１３１ の頂部と、シリンダブロック１１に結合されるシリンダヘッド１４との間には燃焼室１５が形成されており、シリンダヘッド１４には、シリンダボア１２に対して１つずつの吸気ポート１６および排気ポート１７がシリンダヘッド１４の両側面に開口するようにしてそれぞれ設けられる。
【００１６】
またシリンダヘッド１４には、燃焼室１５および吸気ポート１６間の連通、遮断を切換える一対の吸気弁１８１ ，１８２ が配設されるとともに、燃焼室１５および排気ポート１７間の連通、遮断を切換える一対の排気弁１９１ ，１９２ が配設されており、両吸気弁１８１ ，１８２ を開閉駆動する動弁機構（図示せず）は、両吸気弁１８１ ，１８２ の一方１８１ を開閉作動せしめるが他方の吸気弁１８２ を休止せしめて、燃焼室１５内に図２の矢印２０で示す流れ方向のスワールを形成することができる。
【００１７】
ピストン１３１ の頂部には、前記燃焼室１５の一部を構成する円形のキャビティ２１が、たとえばピストン１３１ の上死点での燃焼室１５の体積の２３〜２５％を占めるようにして設けられており、シリンダヘッド１４には、ピストン１３１ の軸線とほぼ平行な軸線を有する燃料噴射弁２２が、前記燃焼室１５にガソリンを直接噴射することを可能として、燃焼室１５の天井面のほぼ中央部に臨むように取付けられる。またシリンダヘッド１４には、ピストン１３１ の軸線に対して傾斜した軸線を有して両排気弁１９１ ，１９２ 間に配置される点火プラグ２３が燃焼室１５内に前端を突入させるようにして取付けられる。
【００１８】
前記キャビティ２１は、燃料噴射弁２２および点火プラグ２３の下方に配置されるようにしてピストン１３１ の頂部に設けられ、燃料噴射弁２２に対応する側よりも点火プラグ２３に対応する側を深くして形成される。
【００１９】
しかも前記キャビティ２１は、前記燃料噴射弁２２に対応する第１位置Ｐ１および前記点火プラグ２３に対応する第２位置Ｐ２間を結ぶ第１の直線Ｌ１上で両位置Ｐ１，Ｐ２間の中間部に該キャビティ２１の中心Ｃが配置されるようにして前記ピストン１３１ の頂部に設けられる。
【００２０】
また前記第２位置Ｐ２に関して前記キャビティ２１の中心Ｃとは反対側で前記第１の直線Ｌ１がキャビティ２１の内周と交差する第３位置Ｐ３から、前記燃焼室１５内に形成されるスワールの流れ方向２０に沿って９０度以下の所定の偏位角度αだけ上流側でキャビティ２１の内周に第４位置Ｐ４が設定されており、第４位置Ｐ４および前記キャビティ２１の中心Ｃを通る第２の直線Ｌ２上では第４位置Ｐ４側に向うにつれて深くなるが第２の直線Ｌ２から両側に離反するにつれてキャビティ２１が浅くなるように前記キャビティ２１の底面が形成される。
【００２１】
このようなキャビティ２１の内周部の深さは、図５で示すように、周方向に沿って変化するものであり、第３位置Ｐ３から図２の反時計方向に沿って偏位角度αの位置すなわち第４位置Ｐ４で最も深くなり、第４位置Ｐ４から９０度だけ図２の反時計方向に移動した第５位置Ｐ５で最も浅くなり、第５位置から９０度だけ図２の反時計方向に移動した第６位置Ｐ６すなわち第２の直線Ｌ２上で第４位置Ｐ４とは反対側の位置では第４位置Ｐ４よりも浅くなり、第６位置Ｐ６から９０度だけ図２の反時計方向に移動した第７位置Ｐ７でも上記第５位置Ｐ５と同様に最も浅くなる。
【００２２】
このようなキャビティ２１の底面形状によれば、第１の直線Ｌ１に沿う断面でのキャビティ２１の底面は、図１で示すように、第２位置Ｐ２側に向って深くなるように傾斜角度θで傾斜して形成されることになる。
【００２３】
次にこの第１実施例の作用について説明すると、燃焼室１５の天井面のほぼ中央部に臨む燃料噴射弁２２が、ピストン１３１ の軸線とほぼ平行な軸線を有してシリンダヘッド１４に取付けられ、燃料噴射弁２２および点火プラグ２３の下方に配置されてキャビティ２１がピストン１３１ の頂部に設けられている。したがって燃料噴射弁２２から噴射されるガソリンが、キャビティ２１内に直接噴射されることになり、該キャビティ２１内では、ガソリンおよび空気の混合気が縦渦を形成し、気化したガソリンおよび空気の良好な成層状態の混合気がキャビティ２１内に保持され、その成層状態の混合気が点火プラグ２３により着火される。しかもキャビティ２１は燃料噴射弁２２に対応する側よりも点火プラグ２３に対応する側を深くして形成されているので、可燃混合気がより長時間にわたってキャビティ２１内に保持されることにより多重着火を不要とした通常の点火システムによる安定した着火が可能となり、燃料噴射弁２２による噴射タイミングの自由度を大としつつ、エンジン回転数・負荷の広い範囲で安定した希薄層状燃焼が可能となり、燃費の改善および排気ガス性状の向上を図ることができる。
【００２４】
ここで、図１４および図１５で示した従来技術のような斜め噴射の場合と、本発明に従って直立状態とした燃料噴射弁２２による燃焼室１５内へのガソリン噴射の場合（センター噴射の場合）とで、正味仕事に対する燃料消費率の変化を比較すると、図６で示すようになり、センター噴射の場合の方が燃料消費率を低くし得ることが明らかである。また上記斜め噴射の場合と、本発明に従うセンター噴射の場合とで、機関回転数に対するスモーク発生率の変化を比較すると、図７で示すようになり、センター噴射の場合にはスモーク発生率をほぼ「０」に抑えることができるのに対し、斜め噴射の場合にはスモークの発生が避けられないことがわかる。
【００２５】
またキャビティ２１は、燃料噴射弁２２に対応する第１位置Ｐ１および点火プラグ２３に対応する第２位置Ｐ２間を結ぶ第１の直線Ｌ１上で両位置Ｐ１，Ｐ２間の中間部にキャビティ２１の中心Ｃが配置されるようにしてピストン１３１ の頂部に設けられており、第１の直線Ｌ１に沿う方向でのキャビティ２１の底面は、第２位置Ｐ２側に向って深くなるように、たとえば傾斜角度θで傾斜して形成されている。したがって燃料噴射弁２２からキャビティ２１内に噴射されたガソリンおよび空気の混合気を点火プラグ２３側に集めて着火をより確実にし、良好な燃焼安定性および燃費の低減を図ることができる。
【００２６】
ここで、前記傾斜角度θを変化させたときに燃焼変動率および燃料消費率は、図８で示すように変化するものであり、安定燃焼域として、傾斜角度θを５〜２０度に設定することが望まれる。
【００２７】
さらに第２位置Ｐ２に関してキャビティ２１の中心Ｃとは反対側で第１の直線Ｌ１がキャビティ２１の内周と交差する第３位置Ｐ３が設定されるとともに、燃焼室１５内に形成されるスワールの流れ方向２０に沿って第３位置Ｐ３から９０度以下の所定の偏位角度αだけ上流側でキャビティ２１の内周に第４位置Ｐ４が設定され、キャビティ２１の中心Ｃおよび第４位置Ｐ４を通る第２の直線Ｌ２上ではキャビティ２１の深さが第４位置Ｐ４側に向うにつれて深くなるが第２の直線Ｌ２から両側に離反するにつれて浅くなるようにキャビティ２１の底面が形成されている。
【００２８】
したがって、キャビティ２１内の混合気を第２の直線Ｌ２に沿って第４位置Ｐ４側に導き、第４位置Ｐ４でキャビティ２１の内面に沿って上昇した混合気が燃焼室１５内に生じているスワールにより点火プラグ２３側に流れるようにすることができ、点火プラグ２３による着火をより確実とし、燃焼安定性のより一層の向上を図るとともに燃費の低減をより一層図ることができる。
【００２９】
ここで、前記偏位角度αを変化させたときに燃焼変動率および燃料消費率は、図９で示すように変化するものであり、安定燃焼域として、偏位角度αを３０〜９０度に設定することが望まれる。
【００３０】
本発明の第２実施例として、キャビティ２１の内周部の深さが図１０で示すように周方向に沿って変化するように設定されていてもよい。すなわち燃料噴射弁２２に対応する第１位置Ｐ１および点火プラグ２３に対応する第２位置Ｐ２間を結ぶ第１の直線Ｌ１が、第２位置Ｐ２に関してキャビティ２１の中心Ｃとは反対側でキャビティ２１の内周と交差する第３位置Ｐ３から、図１０の反時計方向に沿って偏位角度αの位置すなわち第４位置Ｐ４でキャビティ２１の内周部の深さが最も深くなり、第４位置Ｐ４から９０度だけ図２の反時計方向に移動した第５位置Ｐ５では前記内周部の深さが第４位置Ｐ４よりも浅くなり、第５位置から９０度だけ図１０の反時計方向に移動した第６位置Ｐ６すなわち第２の直線Ｌ２上で第４位置Ｐ４とは反対側の位置では前記内周部の深さが最も浅くなり、第６位置Ｐ６から９０度だけ図１０の反時計方向に移動した第７位置Ｐ７では上記第４位置Ｐ４よりも前記内周部の深さが浅くなる。
【００３１】
この第２実施例によれば、キャビティ２１内の混合気を第２の直線Ｌ２に沿って第４位置Ｐ４側により効果的に導くことができ、燃焼安定性の向上および燃費の低減をより一層効果的に図ることができる。
【００３２】
図１１は本発明の第３実施例を示すものであり、このピストン１３２ は、シリンダボア１２（図１参照）に摺動自在に嵌合されるピストン主体２５１ の頂部に、キャビティ２１を形成するキャビティ形成部材２６１ が、鋳込み等により一体に結合されて成るものであり、キャビティ形成部材２６１ は、ピストン主体２５１ を構成する金属材料よりも熱伝導率の低い金属材料により形成される。
【００３３】
すなわちピストン１３２ は、ピストン主体２５１ と、キャビティ２１を形成するキャビティ形成部材２６１ とが、キャビティ２１の内面およびピストン主体２５１ 間を断熱して相互に結合されて成るものである。
【００３４】
このような第３実施例によれば、キャビティ２１の内面を比較的高温に保ち、燃焼室１５（図１参照）内でのガソリンの気化をより一層促進して、燃焼効率の向上を図ることができ、より一層安定した希薄燃焼を実現することができる。すなわち、図１２で示すように、キャビティ２１の内面温度が上昇するにつれて、ガソリン細滴量は大きく変化することはないものの、キャビティ２１内での蒸発量が増大するとともに壁面付着量が減少するものであり、キャビティ２１の内面およびピストン主体２５１ 間が断熱されることによって、より一層安定した希薄燃焼が可能となる。
【００３５】
図１３は本発明の第４実施例を示すものであり、このピストン１３３ は、シリンダボア１２（図１参照）に摺動自在に嵌合されるピストン主体２５２ の頂部に、キャビティ２１を形成するキャビティ形成部材２６２ が、連結リング２７を介して連結されて成るものである。
【００３６】
キャビティ形成部材２６２ および連結リング２７は、ピストン主体２５２ と同一である金属材料またはピストン主体２５２ を構成する金属材料よりも熱伝導率の低い金属材料により構成されるものであり、連結リング２７が１または複数のボルト２８でピストン主体２５２ に締結された状態で該連結リング２７にキャビティ形成部材２６２ が溶接される。而して連結リング２７に溶接された状態でのキャビティ形成部材２６２ およびピストン主体２５２ 間には空気断熱層２９が形成される。
【００３７】
この第４実施例によっても、ピストン主体２５２ と、キャビティ形成部材２６２ とが、キャビティ２１の内面およびピストン主体２５２ 間を断熱して相互に結合されてピストン１３３ が構成されることになり、上記第２実施例と同様の効果を奏することができる。
【００３８】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行なうことが可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように請求項１記載の発明によれば、キャビティ内でガソリンおよび空気の混合気が縦渦を形成するようにして、気化したガソリンおよび空気の良好な成層状態の混合気をキャビティ内に保持することができ、キャビティが燃料噴射弁に対応する側よりも点火プラグに対応する側を深くして形成されていることにより着火を不要とした通常の点火システムによる安定した着火が可能となり、燃料噴射弁による噴射タイミングの自由度を大としつつ、エンジン回転数・負荷の広い範囲で安定した希薄層状燃焼が可能となり、燃費の改善および排気ガス性状の向上を図ることができる。また燃料噴射弁からキャビティ内に噴射されたガソリンおよび空気の混合気を点火プラグ側に集めて着火をより確実にし、良好な燃焼安定性および燃費の低減を図ることができ、さらに混合気が燃焼室内に生じているスワールにより第４位置から第３位置側すなわち点火プラグ側に流れるようにして、点火プラグによる着火をより確実とし、燃焼安定性のより一層の向上を図るとともに燃費の低減をより一層図ることができる。
【００４０】
また請求項２記載の発明によれば、キャビティ内でガソリンおよび空気の混合気が縦渦を形成するようにして、気化したガソリンおよび空気の良好な成層状態の混合気をキャビティ内に保持することができ、キャビティが燃料噴射弁に対応する側よりも点火プラグに対応する側を深くして形成されていることにより着火を不要とした通常の点火システムによる安定した着火が可能となり、燃料噴射弁による噴射タイミングの自由度を大としつつ、エンジン回転数・負荷の広い範囲で安定した希薄層状燃焼が可能となり、燃費の改善および排気ガス性状の向上を図ることができる。またキャビティ内の混合気を第２の直線に沿って第４位置側に導き、第４位置でキャビティの内面に沿って上昇した混合気が燃焼室内に生じているスワールにより点火プラグ側に流れるようにして、点火プラグによる着火をより確実とし、燃焼安定性のより一層の向上を図るとともに燃費の低減をより一層図ることができる。
【００４２】
請求項３記載の発明によれば、キャビティ内の混合気を第２の直線に沿って第４位置側により効果的に導き、燃焼安定性の向上および燃費の低減をより一層効果的に図ることができる。
【００４３】
さらに請求項４記載の発明によれば、キャビティの内面を比較的高温に保ち、燃焼室内でのガソリンの気化をより一層促進して、燃焼効率の向上を図ることができ、より一層安定した希薄燃焼を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例のガソリン直噴エンジンの要部縦断面図であって図２の１−１線に沿う断面図である。
【図２】ピストンの平面図である。
【図３】図２の３−３線に沿うピストンの要部縦断面図である。
【図４】図２の４−４線に沿うピストンの要部縦断面図である。
【図５】キャビティの深さの周方向に沿う変化を示す図である。
【図６】正味仕事に対する燃料消費率の変化特性を示す図である。
【図７】機関回転数に対するスモーク発生率の変化特性を示す図である。
【図８】キャビティの底面傾斜角度による燃焼変動率および燃料消費率の変化特性を示す図である。
【図９】偏位角度による燃焼変動率および燃料消費率の変化特性を示す図である。
【図１０】第２実施例でのキャビティの深さの周方向に沿う変化を示す図である。
【図１１】第３実施例におけるピストンの縦断面図である。
【図１２】キャビティの内面温度変化によるガソリン蒸発量、浮遊細滴および壁面付着量の変化を示す図である。
【図１３】第４実施例におけるピストンの縦断面図である。
【図１４】従来技術の一例でのガソリン直噴エンジンの要部縦断面図である。
【図１５】従来技術の他の例でのガソリン直噴エンジンの要部縦断面図である。
【符号の説明】
１３１ ，１３２ ，１３３ ・・・ピストン
１４・・・シリンダヘッド
１５・・・燃焼室
２１・・・キャビティ
２２・・・燃料噴射弁
２３・・・点火プラグ
２０・・・スワールの流れ方向
２５１ ，２５２ ・・・ピストン主体
２６１ ，２６２ ・・・キャビティ形成部材
α・・・偏位角度
Ｃ・・・キャビティの中心
Ｌ１・・・第１の直線
Ｌ２・・・第２の直線
Ｐ１・・・第１位置
Ｐ２・・・第２位置
Ｐ３・・・第３位置
Ｐ４・・・第４位置
Ｐ６・・・第４位置とは反対側で第２の直線がキャビティの内周と交差する位置
Claims (4)
- シリンダヘッド（１４）およびピストン（１３1 〜１３3 ）の頂部間に形成される燃焼室（１５）の一部を構成するキャビティ（２１）が、前記ピストン（１３1 〜１３3 ）の頂部に設けられ、燃焼室（１５）にガソリンを直接噴射する燃料噴射弁（２２）と、燃焼室（１５）に臨む点火プラグ（２３）とがシリンダヘッド（１４）に取付けられるガソリン直噴エンジンにおいて、燃焼室（１５）の天井面のほぼ中央部に臨む燃料噴射弁（２２）が、ピストン（１３1 〜１３3 ）の軸線とほぼ平行な軸線を有してシリンダヘッド（１４）に取付けられ、前記燃料噴射弁（２２）に対応する第１位置（Ｐ１）および前記点火プラグ（２３）に対応する第２位置（Ｐ２）間を結ぶ第１の直線（Ｌ１）上で第１および第２位置（Ｐ１，Ｐ２）間に中心（Ｃ）が配置されるキャビティ（２１）が、前記燃料噴射弁（２２）に対応する側よりも前記点火プラグ（２３）に対応する側を深くして前記燃料噴射弁（２２）および前記点火プラグ（２３）の下方に配置され、前記第２位置（Ｐ２）に関して前記キャビティ（２１）の中心（Ｃ）とは反対側で前記第１の直線（Ｌ１）がキャビティ（２１）の内周と交差する第３位置（Ｐ３）が設定され、前記燃焼室（１５）内に形成されるスワールの流れ方向（２０）に沿って前記第３位置（Ｐ３）から９０度以下の所定の偏位角度（α）だけ上流側でキャビティ（２１）の内周に第４位置（Ｐ４）が設定され、前記キャビティ（２１）の底面は、前記第１の直線（Ｌ１）に沿う方向では前記第２位置（Ｐ２）側に向って深くなるように傾斜するとともに前記第４位置（Ｐ４）から前記第３位置（Ｐ３）側に向かうにつれて浅くなるように形成されることを特徴とするガソリン直噴エンジン。
- シリンダヘッド（１４）およびピストン（１３ 1 〜１３ 3 ）の頂部間に形成される燃焼室（１５）の一部を構成するキャビティ（２１）が、前記ピストン（１３ 1 〜１３ 3 ）の頂部に設けられ、燃焼室（１５）にガソリンを直接噴射する燃料噴射弁（２２）と、燃焼室（１５）に臨む点火プラグ（２３）とがシリンダヘッド（１４）に取付けられるガソリン直噴エンジンにおいて、燃焼室（１５）の天井面のほぼ中央部に臨む燃料噴射弁（２２）が、ピストン（１３ 1 〜１３ 3 ）の軸線とほぼ平行な軸線を有してシリンダヘッド（１４）に取付けられ、前記燃料噴射弁（２２）に対応する第１位置（Ｐ１）および前記点火プラグ（２３）に対応する第２位置（Ｐ２）間を結ぶ第１の直線（Ｌ１）上で第１および第２位置（Ｐ１，Ｐ２）間に中心（Ｃ）が配置されるキャビティ（２１）が、前記燃料噴射弁（２２）に対応する側よりも前記点火プラグ（２３）に対応する側を深くして前記燃料噴射弁（２２）および前記点火プラグ（２３）の下方に配置され、前記第２位置（Ｐ２）に関して前記キャビティ（２１）の中心（Ｃ）とは反対側で前記第１の直線（Ｌ１）がキャビティ（２１）の内周と交差する第３位置（Ｐ３）が設定され、前記燃焼室（１５）内に形成されるスワールの流れ方向（２０）に沿って前記第３位置（Ｐ３）から９０度以下の所定の偏位角度（α）だけ上流側でキャビティ（２１）の内周に第４位置（Ｐ４）が設定され、前記キャビティ（２１）の底面は、前記第１の直線（Ｌ１）に沿う方向では前記第２位置（Ｐ２）側に向って深くなるように傾斜するとともに前記キャビティ（２１）の中心（Ｃ）および第４位置（Ｐ４）を通る第２の直線（Ｌ２）上では第４位置（Ｐ４）側に向うにつれて深くなるが第２の直線（Ｌ２）から両側に離反するにつれて浅くなるように形成されることを特徴とするガソリン直噴エンジン。
- 前記第２の直線（Ｌ２）が、第４位置（Ｐ４）とは反対側でキャビティ（２１）の内周と交差する位置（Ｐ６）の深さが最も浅くなるように前記キャビティ（２１）の底面が形成されることを特徴とする請求項２記載のガソリン直噴エンジン。
- 前記ピストン（１３ 2 ，１３ 3 ）は、ピストン主体（２５ 1 ，２５ 2 ）と、前記キャビティ（２１）を形成するキャビティ形成部材（２６ 1 ，２６ 2 ）とが、前記キャビティ（２１）内面および前記ピストン主体（２５ 1 ，２５ 2 ）間を断熱して相互に結合されて成ることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のガソリン直噴エンジン。
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