JP3690364B2 - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Description

【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、圧縮行程後半に設定された燃料噴射開始クランク角度から必要燃料量を噴射するのに要求される時間だけ開弁されるようになっている。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、点火プラグ近傍に着火性の良好な混合気を形成することが意図されている。
【０００３】
一般的な燃料噴射弁は、燃料を円錐状に集中して噴射するものである。それにより、燃料噴射末期に噴射された燃料が燃焼室壁面からの熱によって可燃混合気となるのに必要な時間が比較的長くなり、この時間を確保するために、燃料噴射終了時期を早めなければならない。それにより、圧縮行程後半において噴射可能な燃料量は必然的に少なくなり、必要燃料量が比較的多くなる高負荷時には成層燃焼を断念せざるを得なかった。燃料消費率の低減に有効である成層燃焼を、より広い機関運転状態で実施することが望まれている。
【０００４】
特開平９−１５８７３６号公報には、スリット形状の噴孔を有する燃料噴射弁を使用して、燃料を比較的厚さの薄い平らな扇状に噴射することが提案されている。こうして噴射された燃料は広範囲の燃焼室壁面から熱を奪えるために、短時間で可燃混合気とすることができ、燃料噴射終了時期を遅らせることが可能となるために、圧縮行程後半において噴射可能な燃料量を増加することができ、成層燃焼領域を高負荷側に拡大することができるとされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来技術によって、燃料噴射終了時期を遅らせても、噴射された燃料を点火時点において確実に可燃混合気とすることができる。こうして形成された可燃混合気は、幅に比較して短い長さを有する平らな形状を有し、略長さ方向に上昇する。この可燃混合気が上昇中において点火プラグに接触している間に、点火時期を迎えなければならないが、この可燃混合気は長さが比較的短いために、上昇中において点火プラグに接触している時間は比較的短く、可燃混合気の形成時期の僅かなずれによって、点火時点において可燃混合気が点火プラグを既に通過している可能性があり、確実な着火性が確保できない。
【０００６】
従って、本発明の目的は、燃料をピストン頂面に形成された凹状のキャビティ内へ侵入させて点火プラグ近傍を通過するように偏向する筒内噴射式火花点火内燃機関において、確実な着火性を確保して確実に成層燃焼領域を高負荷側に拡大可能とすることである。
【０００７】
【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、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁とを具備し、前記燃料噴射弁から噴射された燃料はピストン頂面に形成された凹状のキャビティ内へ侵入して前記点火プラグ近傍を通過するように偏向され、噴射燃料により形成される可燃混合気と前記点火プラグとの接触時間を長くするために、前記燃料噴射弁の燃料噴射末期における噴射率を低下させて燃料噴射末期に噴射された燃料により形成される可燃混合気の移動速度を低下させることを特徴とする。
【０００８】
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、燃料噴射末期における前記燃料噴射弁のニードルリフト量を小さくすることにより噴射率を低下させることを特徴とする。
【０００９】
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、小容量の燃料溜まりを介して高圧燃料を噴射するものであり、前記燃料溜まりへの燃料供給経路には絞りが設けられていることにより、燃料噴射末期における噴射率を低下させることを特徴とする。
【００１０】
【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、６は気筒略中心上部に配置された点火プラグである。燃料噴射弁７は、燃料幅中心と気筒中心とを略一致させるように、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。
【００１１】
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、圧縮行程後半の機関運転状態毎に設定されたクランク角度から燃料噴射を開始して必要燃料量を噴射するようになっている。圧縮行程後半で噴射された燃料は、図１に示すように、ピストン５の頂面に形成された凹状のキャビティ８内へ進入し、キャビティ８の底壁８１に衝突した後に、底壁８１に沿って側壁８２の方向に進行し、その後、側壁８２に沿って手前上方向に偏向されて点火プラグ６へ向けられる。以下の説明を含めて手前とは、燃料噴射弁側である。
【００１２】
キャビティ８の底壁８１に衝突した後の燃料９は、燃料噴射弁７により噴射される燃料が比較的厚さの薄い平らな扇状であるために、図２にドットで示すように、キャビティ８の底壁８１及び側壁８２上をさらに燃料幅方向に拡がりながら進行し、燃料各部分は、キャビティ８から熱を良好に吸収するために短時間で着火性の良好な混合気（以下、可燃混合気と称する）となる。成層燃焼を実現するためには、少なくとも燃料噴射末期に噴射された燃料が点火時点において可燃混合気となっていなければならないが、このように比較的厚さの薄い平らな扇状に燃料を噴射することで、燃料噴射終了から点火までの時間を短くすることができ、すなわち、燃料噴射終了を遅らせることができ、比較的多量の燃料を点火時点において可燃混合気とすることが可能となる。
【００１３】
こうして形成された可燃混合気は、従来において、図４（Ａ）に実線で示すように、幅に比較して短い長さを有する平らな形状を有して、略長さ方向に上昇する。それにより、可燃混合気が距離Ｌ１を移動する間の比較的短い時間しか可燃混合気Ｍが点火プラグの点火位置Ｐと接触しておらず、この比較的短い時間で点火時期を迎えなければならない。こうして、燃料噴射時期の僅かなずれ等によって可燃混合気の形成時期に僅かなずれが発生すると、点火時期において、可燃混合気が点火プラグを既に通過している可能性があり、確実な着火性を確保することができない。
【００１４】
本発明は、この問題を解決することを意図している。本実施形態におけるピストン５の頂面に形成されたキャビティ８の側壁８２は、少なくとも燃料が到達する範囲において、上端部にはキャビティ８内方向に突出する返し部８３を有し、曲率半径ｒ１の水平方向の円弧形状を呈しており、この範囲における各側壁部分の縦断面形状は図３に示すようになっている。また、側壁８２の燃料が到達する範囲における中心垂直平面Ｎ１と、燃料噴射弁７から噴射される燃料の中心垂直平面Ｎ２とは１８０°で交差し、すなわち、一直線上となっている。図３（Ａ）は、図２のＡ−Ａ断面図であり、気筒略中心上部に位置する点火プラグに最も近い中央側壁部分８２ａを示している。中央側壁部分８２ａは、返し部８３を含めて曲率半径Ｒ１の円弧断面形状を有している。中央側壁部分８２ａにおける返し部８３の突出長はＬ１である。また、図３（Ｂ）は、図２のＢ−Ｂ断面図であり、中央側壁部分８２ａの右側に位置する右側側壁部分８２ｂを示している。右側側壁部分８２ｂは、返し部８３を含めて曲率半径Ｒ２の円弧断面形状を有している。右側側壁部分８２ｂにおける返し部８３の突出長はＬ２である。また、図３（Ｃ）は、図２のＣ−Ｃ断面図であり、中央側壁部分８２ａの左側に位置する左側側壁部分８２ｃを示している。左側側壁部分８２ｃは、返し部８３を含めて曲率半径Ｒ３の円弧断面形状を有している。左側側壁部分８２ｃにおける返し部８３の突出長はＬ３である。各側壁部分における垂直方向の曲率半径及び返し部８３の突出長の関係は、Ｒ１＞Ｒ２＞Ｒ３及びＬ１＜Ｌ２＜Ｌ３となっている。
【００１５】
このように構成されたキャビティ８内に燃料が噴射されると、底壁８１上を燃料幅方向に拡がりながら進行して側壁８２に到達した燃料は、側壁８２の水平方向の円弧形状によって燃料幅中心方向に偏向されると共に、各側壁部分の円弧断面形状によって手前上方向に偏向される。簡単のために、噴射された燃料を放射状に三つの燃料部分、すなわち、中央燃料部分９ａと、右側燃料部分９ｂと、左側燃料部分９ｃとに分割して考えると、中央燃料部分９ａは中央側壁部分８２ａによって、また、右側燃料部分９ｂは右側側壁部分８２ｂによって、また、左側燃料部分９ｃは左側側壁部分８２ｃによって、それぞれに、気筒略中心上部に位置する点火プラグ６の方向へ向けられる。こうして、キャビティ８の底壁８１は、中央、右側、及び左側燃料部分９ａ，９ｂ，９ｃを側壁８１へ導くための中央、右側、及び左側燃料導き経路を構成し、中央、右側、及び左側側壁部分８２ａ，８２ｂ，８２ｃは、それぞれ、中央、右側、及び左側燃料部分９ａ，９ｂ，９ｃを点火プラグ６近傍を通過させるように偏向する中央、右側、及び左側燃料偏向経路を構成している。
【００１６】
各燃料偏向経路において、返し部８３の突出長が短いほど、燃料通過に際して、経路長が短くて通過抵抗が低くなる。また、本実施形態のように、各側壁部分の垂直方向断面が、全体的な円弧形状を有している場合であっても、部分的な円弧形状を有している場合であっても、各燃料偏向経路において、円弧断面形状の曲率半径が大きいほど、燃料通過に際して、経路長が短くて通過抵抗が低くなる。それにより、本実施形態においては、各燃料偏向経路において、返し部８３の突出長及び円弧断面形状における曲率半径に前述のような違いを持たせてあるために、中央燃料偏向経路上を通過する中央燃料部分９ａは、最も早い時期にキャビティ８を離れると共に点火プラグ６へ向かう速度も最も速くなる。右側燃料偏向経路上を通過する右側燃料部分９ｂは、次に早い時期にキャビティ８を離れると共に点火プラグ６へ向かう速度も次に速くなる。また、左側燃料偏向経路上を通過する左側燃料部分９ｃは、最も遅い時期にキャビティ８を離れると共に点火プラグ６へ向かう速度も最も遅くなる。
【００１７】
それにより、図４（Ｂ）に示すように、中央燃料部分９ａにより形成される可燃混合気９ａ’は最も早く点火プラグ６近傍に達し、次いで、右側燃料部分９ｂにより形成される可燃混合気９ｂ’が点火プラグ６に達し、最後に左側燃料部分９ｃにより形成される可燃混合気９ｃ’が点火プラグ６に達するようになる。しかしながら、これらの可燃混合気は、連続的に拡がる燃料から形成されるために、互いに完全に独立して存在するようなことはなく、図４（Ｂ）に示すように互いに周囲部分において重なって繋がっている。
【００１８】
このように、本実施形態によれば、燃料噴射弁から比較的厚さの薄い略扇状に噴射された燃料を放射状に複数の燃料部分に分割して考えた場合において、複数の燃料部分により形成される各可燃混合気を繋がった状態で連続的に点火プラグ６近傍を通過させるようにしている。すなわち、本実施形態においては、中央燃料部分９ａによる可燃混合気９ａ’が点火位置Ｐに接触し始める時（図４（Ｂ）の実線で示す時）から左側燃料部分９ｃによる可燃混合気９ｃ’が点火位置Ｐに依然として接触している時（図４（Ｂ）の点線で示す時）までの間で点火時期を迎えれば良い。言わば、点火プラグ６へ最も遅く到達する左側燃料部分９ｃによる可燃混合気９ｃ’が距離Ｌ２を移動する間において点火が実施されれば良い。
【００１９】
この可燃混合気９ｃ’の移動速度は、前述したように遅くなり、図４（Ａ）に示す従来の可燃混合気の移動速度よりも遅く、また、距離Ｌ２は、前述の距離Ｌ１に比較して十分に長いために、本実施形態によれば、可燃混合気が点火位置Ｐと比較的長い時間において接触し続け、燃料噴射時期の僅かなずれ等によって可燃混合気の形成時期に僅かなずれが発生しても、点火時期において、可燃混合気が点火プラグを既に通過している可能性はなく、確実な着火性を確保することができる。
【００２０】
本実施形態及び以下に説明するいくつかの実施形態において、略扇状に噴射された燃料を三つの燃料部分に分割するものとして説明したが、少なくとも二つの燃料部分に分割し、各燃料部分により形成される可燃混合気を順次点火プラグ近傍を通過させるようにすれば、明かに着火性を向上させることができる。また、複数に分割された燃料部分により形成される可燃混合気の全てを点火プラグ近傍を通過させるようにする必要はなく、分割された燃料部分の少なくとも二つにより形成される可燃混合気を順次点火プラグ近傍を通過させるようにしても良い。
【００２１】
さらに、第一側壁部分８２ａ、第二側壁部分８２ｂ、及び第三側壁部分８２ｃにおいて、円弧断面形状の曲率半径及び返し部８３の突出長の少なくとも一つを、図２に示すように連続的に変化させるようにしても良い。これは、言わば、略扇状に噴射された燃料を非常に多数の燃料部分に分割し、各燃料部分により形成される可燃混合気を順次点火プラグ６近傍を通過させることになり、各燃料部分により形成される可燃混合気の繋がりが良好になり、火炎伝播を非常に良好とすることができる。また、以下に説明するいくつかの実施形態を含めて、本実施形態のように、点火プラグ６へ最初に到達する可燃混合気を形成する燃料部分の経路を点火プラグ６に最も近くすることで、この可燃混合気を早期に点火プラグ６へ到達させることができる。これにより、可燃混合気と点火プラグとの接触時間をさらに長くすることができ、さらに確実な着火性を確保することができる。
【００２２】
図５は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に相当するピストンの平面図である。本実施形態におけるピストン５’の頂面に形成されたキャビティ８’は、以下に説明する以外については、第一実施形態のピストン５の頂面に形成されたキャビティ８と同じ形状を有している。このキャビティ８’の側壁８２’は、少なくとも燃料が到達する範囲において、上端部に返し部８３’を有し、この返し部８３’の突出長は、いずれの位置においても同じとされている。図６（Ａ）は図５のＤ−Ｄ断面図であり、図６（Ｂ）は図５のＥ−Ｅ断面図であり、図６（Ｃ）は図５のＦ−Ｆ断面図である。これらの図に示すように、キャビティ８’の側壁８２’は、少なくとも燃料が到達する範囲において同じ曲率半径Ｒ４の円弧断面形状を部分的に有している。それにより、各燃料部分を点火プラグ６方向へ偏向する中央、右側、及び左側燃料偏向経路は、経路長及び通過抵抗が略同一となっている。しかしながら、図６に示すように、燃料衝突位置における中央燃料導き経路８１ａ、右側燃料導き経路８１ｂ、及び左側燃料導き経路８１ｃの傾斜角度は、互いに異なっており、中央燃料導き経路８１ａにおける燃料の衝突角度ＴＨ１が最も小さく、右側燃料導き経路８１ｂにおける燃料の衝突角度ＴＨ２が次いで小さく、左側燃料導き経路８１ｃにおける燃料の衝突角度ＴＨ３が最も大きくなっている。
【００２３】
それにより、各燃料導き経路への衝突に際して、中央燃料部分９ａのエネルギ損失が最も少なく、次いで右側燃料部分９ｂのエネルギ損失が少なく、左側燃料部分９ｃのエネルギ損失が最も大きい。こうして、第一実施形態と同様に、中央燃料部分９ａにより形成される可燃混合気は最も早く点火プラグ６に達し、次いで、右側燃料部分９ｂにより形成される可燃混合気が点火プラグ６に達し、最後に、左側燃料部分９ｃにより形成される可燃混合気が点火プラグ６に達するようになり、前述同様な効果を得ることができる。本実施形態では、キャビティ８’において、各燃料導き経路における側壁近傍の深さＨ１は略同一であり、燃料衝突位置における傾斜の始点深さＨ４も略同一とされている。このようなキャビティ８’の底壁形状において、各燃料導き経路における傾斜角度を徐々に変化させることも可能である。それにより、前述同様に、良好に繋がる可燃混合気が形成されて良好な成層燃焼を実現できる。
【００２４】
また、図７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６に相当する図である。第二実施形態との違いについてのみ以下に説明する。図７（Ａ）は図５のＤ−Ｄ断面図であり、図７（Ｂ）は図５のＥ−Ｅ断面図であり、図７（Ｃ）は図５のＦ−Ｆ断面図である。これらの図に示すように、燃料衝突位置における中央燃料導き経路８１ａ’、右側燃料導き経路８１ｂ’、及び左側燃料導き経路８１ｃ’の傾斜角度は、互いに異なっており、中央燃料導き経路８１ａ’における燃料の衝突角度ＴＨ１が最も小さく、右側燃料導き経路８１ｂ’における燃料の衝突角度ＴＨ４が次いで小さく、左側燃料導き経路８１ｃ’における燃料の衝突角度ＴＨ５が最も大きくなっている。
【００２５】
それにより、各燃料導き経路への衝突に際して、中央燃料部分９ａのエネルギ損失が最も少なく、次いで右側燃料部分９ｂのエネルギ損失が少なく、左側燃料部分９ｃのエネルギ損失が最も大きく、第二実施形態と同様な効果を得ることができる。本実施形態では、キャビティにおいて、各燃料導き経路における側壁近傍の深さＨ１は略同一であるが、中央燃料導き経路８１ａ’における燃料衝突位置における傾斜の始点深さＨ４が最も浅く、次いで、右側燃料導き経路８１ｂ’における燃料衝突位置における傾斜の始点深さＨ５が浅く、左側燃料導き経路８１ｃ’における燃料衝突位置における傾斜の始点深さＨ６が最も深くなっている。このようなキャビティの底壁形状において、各燃料導き経路における傾斜角度を徐々に変化させることも可能である。それにより、前述同様に、良好に繋がる可燃混合気が形成されて良好な成層燃焼を実現できる。
【００２６】
また、図８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６に相当する図である。第二実施形態との違いについてのみ以下に説明する。図８（Ａ）は図５のＤ−Ｄ断面図であり、図８（Ｂ）は図５のＥ−Ｅ断面図であり、図８（Ｃ）は図５のＦ−Ｆ断面図である。これらの図に示すように、本実施形態においては燃料衝突位置における各燃料導き経路の傾斜角度は略同一であるが、中央燃料導き経路８１ａ”における側壁近傍の深さＨ１が最も浅く、次いで、右側燃料導き経路８１ｂ”における側壁近傍の深さＨ２が浅く、左側燃料導き経路８１ｃ”における側壁近傍の深さＨ３が最も深くなっている。
【００２７】
それにより、中央燃料導き経路８１ａ”の経路長が最も短くなり、次いで右側燃料導き経路８１ｂ”の経路長が短くなり、左側燃料導き経路８１ｃ”の経路長が最も長くなる。こうして、第一実施形態と同様に、中央燃料部分９ａにより形成される可燃混合気は最も早く点火プラグ６に達し、次いで、右側燃料部分９ｂにより形成される可燃混合気が点火プラグ６に達し、最後に、左側燃料部分９ｃにより形成される可燃混合気が点火プラグ６に達するようになり、前述同様な効果を得ることができる。本実施形態においても各燃料導き経路における側壁近傍の深さを徐々に変化させ、良好に繋がる可燃混合気を形成することが可能である。
【００２８】
図９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５に相当するピストンの平面図である。本実施形態におけるピストン５”の頂面に形成されたキャビティ８”は、以下に説明する以外については、第二実施形態のピストン５’の頂面に形成されたキャビティ８’と同じ形状を有している。本実施形態において、各燃料導き経路の燃料衝突位置における傾斜角度は略同一であるが、中央燃料導き経路上には、中央燃料部分の幅方向に延在する一つの凸状抵抗部１０が設けられ、右側燃料導き経路上には、右側燃料部分の幅方向に延在する二つの凸状抵抗部１０が設けられ、左側燃料導き経路上には、左側燃料部分の幅方向に延在する三つの凸状抵抗部１０が設けられている。
【００２９】
それにより、各燃料導き経路上の凸状抵抗部の数の違いによって、中央燃料導き経路の通過抵抗が最も小さく、次いで右側燃料導き経路の通過抵抗が小さく、左側燃料導き経路の通過抵抗が最も大きい。こうして、第一実施形態と同様に、中央燃料部分９ａにより形成される可燃混合気は最も早く点火プラグ６に達し、次いで、右側燃料部分９ｂにより形成される可燃混合気が点火プラグ６に達し、最後に、左側燃料部分９ｃにより形成される可燃混合気が点火プラグ６に達するようになり、前述同様な効果を得ることができる。
【００３０】
本実施形態において、凸状抵抗部は、各燃料導き経路上に設けられているが、もちろん、同様な考え方に基づき各燃料偏向経路上に設けることも可能である。また、抵抗部を凸状ではなく凹状にしても同様に通過抵抗を増加させることができる。また、凸状又は凹状の抵抗部の数を違えることに代えて又は加えて、凸状又は凹状の抵抗部の高さ又は深さを異ならせることによって各燃料導き経路の通過抵抗を変化させるようにしても良い。さらに、通過抵抗を最も小さくする燃料導き経路上及び燃料偏向経路上には、抵抗部を設けなくても良い。
【００３１】
図１０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５に相当するピストンの平面図である。本実施形態におけるピストン５００の頂面に形成されたキャビティ８００は、以下に説明する以外については、第二実施形態のピストン５’の頂面に形成されたキャビティ８’と同じ形状を有している。本実施形態において、キャビティ８００の底壁には、中央、右側、及び左側燃料導き経路をそれぞれ区画するための四つのガイド突部２０が設けられている。各ガイド突部２０は、燃料の中心垂直平面Ｎ２に対して、略平行で略対称である。こうして区画された中央燃料導き経路は、中央燃料部分をほとんど偏向することなく中央燃料偏向経路に導くが、右側及び左側燃料導き経路は、右側及び左側燃料部分を水平方向に偏向して右側及び左側燃料偏向経路へ導くことになり、その分の通過抵抗を右側及び左側燃料部分へ与える。
【００３２】
キャビティ８００の側壁において、燃料が到達する範囲における水平方向の円弧形状の曲率半径ｒ２は、第二実施形態のキャビティ８’の曲率半径ｒ１に比較して小さくされており、それにより、右側及び左側燃料偏向経路は、右側及び左側燃料導き経路上で水平方向に偏向されて到達する燃料を良好に点火プラグ６近傍へ偏向するようになっている。こうして、中央燃料部分により形成される可燃混合気は最も早く点火プラグ６に達し、次いで、右側及び左側燃料部分により形成される可燃混合気が点火プラグ６に達し、可燃混合気と点火プラグとの接触時間が長くなり前述同様な効果を得ることができる。
【００３３】
本実施形態において、右側及び左側燃料導き経路における通過抵抗は略同一で、右側及び左側燃料部分により形成される可燃混合気はほぼ同時に点火プラグ６に到達するようになっている。しかしながら、例えば、左側燃料導き経路を区画するガイド突部２０を燃料の中心垂直平面方向に傾斜させることで、左側燃料部分の水平方向の偏向度合いが大きくなり、右側燃料導き経路に比較して左側燃料導き経路における通過抵抗を大きくすることができ、これまでの実施形態のように、各燃料部分により形成される可燃混合気が順次点火プラグ近傍を通過するようにすることができる。
【００３４】
図１１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図１０に相当するピストンの平面図である。本実施形態におけるピストン５０１の頂面に形成されたキャビティ８０１は、以下に説明する以外については、第六実施形態のピストン５００の頂面に形成されたキャビティ８００と同じ形状を有している。本実施形態において、キャビティ８０１の底壁には、中央、右側、及び左側燃料導き経路をそれぞれ区画するための四つのガイド突部２１が設けられている。各ガイド突部２１は、燃料の中心垂直平面Ｎ２に対して内側に湾曲し、燃料の中心垂直平面Ｎ２に対して略対称である。また、燃料の中心垂直平面Ｎ２から離れるガイド突部ほど小さな曲率半径を有している。こうして区画された中央燃料導き経路は、中央燃料部分をほとんど偏向することなく中央燃料偏向経路に導くが、右側及び左側燃料導き経路は、右側及び左側燃料部分を水平方向に偏向して右側及び左側燃料偏向経路へ導くことになり、その分の通過抵抗を右側及び左側燃料部分へ与え、第六実施形態と同様に、可燃混合気と点火プラグとの接触時間が長くなり前述同様な効果を得ることができる。本実施形態においても、第六実施形態と同様な考え方に基づき右側燃料導き経路と左側燃料導き経路の通過抵抗に違いを持たせ、各燃料部分により形成される可燃混合気が順次点火プラグ近傍を通過するようにすることができる。
【００３５】
図１２は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第八実施形態を示す図５に相当するピストンの平面図である。本実施形態におけるピストン５０２の頂面に形成されたキャビティ８０２は、以下に説明する以外については、第二実施形態のピストン５’の頂面に形成されたキャビティ８’と同じ形状を有している。本実施形態において、キャビティ８０２の底壁の燃料衝突位置における傾斜角度は略同一であるが、底壁には略扇状に噴射される燃料を全体的に燃料幅左方向に偏向する複数の偏向ガイド突部２２が設けられている。偏向側、すなわち、左側に位置する偏向ガイド突部２２は、右側に位置する偏向ガイド突部２２に比較して傾きが小さくされている。点火プラグ６’は、左側に少し偏心されている。
【００３６】
こうして、偏向ガイド突部２２によって偏向された燃料がキャビティ８０２の側壁によって手前上方向に偏向されると、この燃料により形成される可燃混合気Ｍは、図４（Ａ）に相当する図１４に示すように、左側に偏心された点火プラグ６に対して平面的には右下から斜め左上方向に移動する。可燃混合気Ｍの移動速度は、噴射された燃料が有する運動エネルギによるものであり、図４（Ａ）に示す従来の場合と図１４に示す本実施形態の場合においてほぼ等しいと考えられる。こうして、本実施形態によれば、可燃混合気Ｍが距離Ｌ３を移動する間において可燃混合気Ｍは点火位置Ｐに接触しており、距離Ｌ３は前述の距離Ｌ１に比較して十分に長いために、燃料噴射時期の僅かなずれ等によって可燃混合気の形成時期に僅かなずれが発生しても、点火時期において確実な着火性を確保することができる。
【００３７】
本実施形態において、左側に位置する偏向ガイド突部２２は、右側に位置する偏向ガイド突部２２に比較して傾きが小さくされているために、キャビティ８０２の底壁において、燃料の左側は、あまり左方向に偏向されない。それにより、可燃混合気となって移動する際に、可燃混合気の左側は、左側方向へゆっくり移動するために、可燃混合気がシリンダボアに接触し難くなる。こうして、シリンダボアに燃料が付着してエンジンオイルの希釈させる等の問題を防止することができる。
【００３８】
本実施形態において、偏向ガイド２２は、キャビティの底壁、すなわち、燃料導き経路に設けられているが、キャビティの側壁、すなわち、燃料偏向経路上に設けるようにしても良い。この場合において、燃料偏向経路は、燃料を手前上方向に偏向するだけでなく、燃料幅左方向にも偏向することになる。以下の実施形態を含めて、本実施形態において、点火プラグは気筒略中心に配置することも可能である。この場合においては、前述した可燃混合気の斜め上方向への移動が垂直方向に近づくこととなるが、従来に比較して長い距離を移動する間において、可燃混合気は点火位置に接触するために、可燃混合気と点火プラグとの接触時間が長くなり、点火時期における確実な着火性を確保することができる。
【００３９】
図１３は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第九実施形態を示す図５のＧ−Ｇ断面図に相当する図である。本実施形態におけるキャビティ８０３の底壁は、燃料の右側端部から左側端部の方向に傾斜している。それにより、底壁上を進行する燃料には左方向への偏向力が作用し、第八実施形態と同様に、可燃混合気は図１４に示すように移動させ、可燃混合気と点火プラグとの接触時間が長くなり、点火時期における確実な着火性を確保することができる。
【００４０】
本実施形態において、キャビティ８０３の底壁における傾斜角度は、燃料の右端部における傾斜角度より左端部における方が小さくされており、キャビティ８０３の底壁において、燃料の左側は、あまり左方向に偏向されないようになっている。それにより、可燃混合気となって移動する際に、可燃混合気の左側は、左側方向へゆっくり移動するために、可燃混合気がシリンダボアに接触し難くなる。こうして、シリンダボアに燃料が付着してエンジンオイルの希釈させる等の問題を防止することができる。
【００４１】
図１５は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第十実施形態を示す図２に相当するピストンの平面図である。本実施形態におけるピストン５０４の頂面に形成されたキャビティ８０４は、以下に説明する以外については、第二実施形態のピストン５の頂面に形成されたキャビティ８と同じ形状を有しており、垂直方向軸線を中心に時計方向に所定角度回転させた構造となっている。本実施形態において、側壁の燃料が到達する範囲における中心垂直平面Ｎ１’と、燃料噴射弁７から噴射される燃料の中心垂直平面Ｎ２とは所定鈍角ＴＨで交差しており、点火プラグ６’は左方向に少し偏倚されている。
【００４２】
このように構成された側壁は、燃料を中心垂直平面Ｎ１’に沿って上方向に偏向する。それにより、点火プラグ６’から見れば、燃料により形成される可燃混合気は、上昇するほど左方向に移動することになる。それにより、第八実施形態と同様に、可燃混合気は図１４に示すように移動させ、可燃混合気と点火プラグとの接触時間が長くなり、点火時期における確実な着火性を確保することができる。
【００４３】
また、本実施形態において、側壁の燃料が到達する範囲における垂直方向の断面形状は、左側のＪ−Ｊ断面が図３（Ｃ）に相当し、中央のＩ−Ｉ断面が図３（Ｂ）に相当し、右側のＨ−Ｈ断面が図３（Ａ）に相当している。それにより、燃料の左側部分ほど上昇速度が遅くなり、点火時点において、この部分の点火プラグ６’に対する左方向の移動量が少なくなる。こうして、可燃混合気がシリンダボアに接触し難くなる。本実施形態において、側壁の燃料が到達する範囲は水平方向の一つの曲率半径を有する円弧状となっている。しかしながら、この範囲の側壁における左側部分を部分的に小さな曲率半径とすることで、燃料の左側部分の左方向への移動速度を低下させ、さらに確実に可燃混合気がシリンダボアに接触することを防止することができる。
【００４４】
図１６は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第十一実施形態を示すピストンの平面図である。本実施形態におけるピストン５０５の頂面に形成されたキャビティ８０５は、比較的厚さの薄い平らな扇状に噴射された燃料を手前上方向に偏向するものである。点火プラグ６’は左側に偏倚されている。本実施形態において、吸気ポートは気筒内に反時計水平方向のスワールを形成するように構成されている。また、ピストン５０５の頂面には、キャビティ８０５の側壁の燃料が到達する範囲に対応して隆起部５０が形成されている。
【００４５】
それにより、スワールの一部は、隆起部に沿って旋回し、手前上方向に偏向された燃料により形成される可燃混合気を左方向へ移動させる。それにより、第八実施形態と同様に、可燃混合気は図１４に示すように移動させ、可燃混合気と点火プラグとの接触時間が長くなり、点火時期における確実な着火性を確保することができる。
【００４６】
図１７は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第十二実施形態を示すピストンの平面図である。本実施形態におけるピストン５０６の頂面に形成されたキャビティ８０６は、比較的厚さの薄い平らな扇状に噴射された燃料を手前上方向に偏向するものである。点火プラグ６’は左側に少し偏倚されている。本実施形態において、ピストン５０６の頂面には、主に、キャビティ８０６の側壁の燃料が到達する範囲に沿って左方向に移動するスキッシュを発生するスキッシュエリア６０が形成されている。
【００４７】
それにより、スキッシュは、手前上方向に偏向された燃料により形成される可燃混合気を左方向へ移動させる。それにより、第八実施形態と同様に、可燃混合気は図１４に示すように移動させ、可燃混合気と点火プラグとの接触時間が長くなり、点火時期における確実な着火性を確保することができる。
【００４８】
図１８は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第十三実施形態を示す概略縦断面図である。図１の第一実施形態との違いについてのみ以下に説明する。本実施形態におけるキャビティ８０７の底壁には、燃料噴射弁７から噴射される燃料がピストン５０７の上昇に伴って順次衝突する第一、第二、及び第三段部８０７ａ，８０７ｂ，８０７ｃが形成されている。また、ピストン５０７の頂面には、主に、燃料噴射弁７の対向側から燃料噴射弁方向に進行するスキッシュを発生させるスキッシュエリア７０が設けられている。
【００４９】
低負荷側で燃料噴射量が少ない時でも、燃料噴射弁から噴射される燃料は、必ず第一及び第二段部８０７ａ，８０７ｂに衝突するようになっている。第一及び第二段部８０７ａ，８０７ｂは、それぞれ、燃料を互いに略平行に上方向へ偏向し、少なくとも、こうして偏向される燃料は、点火プラグ６よりスキッシュ上流側へ向かうようになっている。第一及び第二段部８０７ａ，８０７ｂにより偏向された燃料は、それぞれ、良好に可燃混合気となるために、全体的には、前述した実施形態に比較して確実に厚さの厚い可燃混合気となって、スキッシュによって点火プラグ６方向へ移動される。それにより、本実施形態では、可燃混合気は点火プラグと厚さ方向に比較的長い時間接触し続け、従来に比較して可燃混合気と点火プラグとの接触時間が長くなり、点火時期における確実な着火性を確保することができる。
【００５０】
本実施形態において、高負荷側となって燃料噴射量が増加すると、第三段部８０７ｃにも燃料が衝突して上方向に偏向される。この燃料により形成される可燃混合気は、第二段部８０７ｂにより上方向へ偏向された燃料により形成される可燃混合気に隣接して位置するために、さらに可燃混合気の厚さを厚くし、厚さ方向に移動する可燃混合気と点火プラグとの接触時間がさらに長くなり、点火時期におけるさらに確実な着火性を確保することができる。
【００５１】
図１９は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第十四実施形態を説明するための燃料噴射パターンである。同図において、点線は従来の燃料噴射パターンであり、本実施形態の燃料噴射パターンは、実線で示すように、燃料噴射初期の噴射率を高めると共に、燃料噴射末期の噴射率を低くしている。それにより、同じ噴射期間で同量の燃料を噴射することができる。こうして、燃料噴射末期の噴射率を低くすると、この時に噴射される燃料の運動エネルギが減少し、噴射されてから可燃混合気が点火プラグに到達するまでの時間を延長することができる。これは、言わば、可燃混合気の全体的な長さを長くすることになり、可燃混合気と点火プラグとの接触時間が長くなるために、点火時期における確実な着火性を確保することができる。
【００５２】
本実施形態において、燃料噴射初期の噴射率を高めないことも可能である。それにより、燃料噴射期間は延長することになるが、噴射率を低くして噴射した燃料は、容易に気化して可燃混合気となり易く、すなわち、早期に可燃混合気となるために、燃料噴射終了時期が遅れても点火時点において噴射された燃料は全て可燃混合気となっており、特に問題とはならない。これは、燃料噴射初期の噴射率を高めれば、さらに多量の燃料が噴射可能であることを意味している。
【００５３】
燃料噴射初期の噴射率を高めても、この時に噴射された燃料は、点火までの十分な時間によって良好な可燃混合気となることができる。燃料噴射弁は、一般的に、ニードルリフト量によって噴射率が変化する構造である。それにより、燃料噴射末期に噴射率を低くするためには、燃料噴射末期のニードルリフト量を小さく制御すれば良い。また、燃料噴射弁は、一般的に、小容量の燃料溜まりを介して高圧燃料を噴射するものであり、燃料噴射弁の開弁中には燃料供給通路により燃料溜まりへ燃料が供給されるようになっている。それにより、燃料供給通路に絞りを設ければ、燃料噴射初期には、燃料溜まり内の高圧の燃料が噴射されるが、燃料噴射末期には、燃料溜まり内の燃料圧力は低下するために、この時の噴射率を低くすることができる。
【００５４】
図２０は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第十五実施形態を説明するためのクランク機構を示す概略図である。同図において、本実施形態のクランク機構９００は、時計方向に回転し、回転中心９００ａがピストン５０８の中心軸線に対して左側に偏倚している。それにより、ピストン５０８が下降する時のクランク角速度は速くなるが、ピストン５０８が上昇する時のクランク角速度は遅くなる。本実施形態において、可燃混合気が点火プラグに接触している時間は延長されないが、圧縮行程における燃料噴射時期が多少ずれても、ピストンの上昇速度が遅いために、ほぼ所望のピストン位置で燃料を噴射することができ、確実な着火性を確保することができる。
【００５５】
前述した第十四実施形態において、内燃機関は、燃料をピストン頂面のキャビティにより点火プラグ方向へ偏向するものに限定されず、燃料を飛行中に気化させて直接的に点火プラグ方向に向かわせるものでも、従来に比較して可燃混合気と点火プラグとの接触時間が延長し、確実な着火性を確保することができる。また、第十四及び第十五実施形態においては、燃料を略扇状に噴射するものにも限定されず、燃料を円錐状に噴射するものでも良い。これらの内燃機関においても、従来に比較して確実な着火性を確保することができる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関は、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を具備し、燃料噴射弁から噴射された燃料はピストン頂面に形成された凹状のキャビティ内へ侵入して点火プラグ近傍を通過するように偏向され、噴射燃料により形成される可燃混合気と点火プラグとの接触時間を長くするために、燃料噴射弁の燃料噴射末期における噴射率を低下させて燃料噴射末期に噴射された燃料により形成される可燃混合気の移動速度を低下させるようになっているために、点火プラグに可燃混合気が接触し続ける時間が延長し、点火時期の制御範囲の拡大と確実な着火性を確保することができる。
【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のピストンの平面図である。
【図３】図２のキャビティ側壁部分の断面図であり、（Ａ）はＡ−Ａ断面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ断面図、（Ｃ）はＣ−Ｃ断面図である。
【図４】可燃混合気の挙動を説明する図である。
【図５】図２に相当するピストンの平面図である。
【図６】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第二実施形態を示す図５のキャビティ側壁部分の断面図であり、（Ａ）はＤ−Ｄ断面図、（Ｂ）はＥ−Ｅ断面図、（Ｃ）はＦ−Ｆ断面図である。
【図７】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５のキャビティ側壁部分の断面図であり、（Ａ）はＤ−Ｄ断面図、（Ｂ）はＥ−Ｅ断面図、（Ｃ）はＦ−Ｆ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四実施形態を示す図５のキャビティ側壁部分の断面図であり、（Ａ）はＤ−Ｄ断面図、（Ｂ）はＥ−Ｅ断面図、（Ｃ）はＦ−Ｆ断面図である。
【図９】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ピストンの平面図である。
【図１０】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ピストンの平面図である。
【図１１】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第七実施形態を示すピストンの平面図である。
【図１２】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第八実施形態を示す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九実施形態を示す図５のＧ−Ｇ断面図である。
【図１４】可燃混合気のもう一つの挙動を説明する図である。
【図１５】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第十実施形態を示すピストンの平面図である。
【図１６】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第十一実施形態を示すピストンの平面図である。
【図１７】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第十二実施形態を示すピストンの平面図である。
【図１８】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第十三実施形態を示す概略縦断面図である。
【図１９】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第十四実施形態を説明する燃料噴射パターンを示す図である。
【図２０】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第十五実施形態を説明するクランク機構を示す図である。
【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

Claims (3)

1. 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を具備し、前記燃料噴射弁から噴射された燃料はピストン頂面に形成された凹状のキャビティ内へ侵入して前記点火プラグ近傍を通過するように偏向され、噴射燃料により形成される可燃混合気と前記点火プラグとの接触時間を長くするために、前記燃料噴射弁の燃料噴射末期における噴射率を低下させて燃料噴射末期に噴射された燃料により形成される可燃混合気の移動速度を低下させることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
2. 燃料噴射末期における前記燃料噴射弁のニードルリフト量を小さくすることにより噴射率を低下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。
3. 前記燃料噴射弁は、少容量の燃料溜まりを介して高圧燃料を噴射するものであり、前記燃料溜まりへの燃料供給経路には絞りが設けられていることにより、燃料噴射末期における噴射率を低下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。

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