JP3692860B2 - 筒内噴射式火花点火機関 - Google Patents
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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機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内噴射式火花点火機関の中には、例えば特開平１１−６２５９３号公報や特開平９−７９０３８号公報に示されているように、ピストン冠面の吸気弁配置側にオフセットして円弧状凹部のキャビティ燃焼室を形成すると共に、排気弁配置側には該キャビティ燃焼室の円弧状凹部の縁部に連なって傾斜した凸部を形成し、成層燃焼時に燃料噴射弁から前記キャビティ燃焼室に向けて噴射された燃料噴霧と、吸気行程で燃焼室に形成された順タンブル流との衝突拡散による混合気形成の促進と、燃料噴霧の必要以上の拡散防止とを図ったものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述のようにキャビティ燃焼室をピストン冠面の吸気弁配置側にオフセットして設け、排気弁配置側に凸部を設定することによって、アイドル運転時のように回転数が低く順タンブル流の流動勢力がもともと弱い運転時には、吸気弁近傍位置に設けた燃料噴射弁からキャビティ燃焼室に向けて噴射された燃料噴霧の排気弁配置側への拡散抑制効果が期待できるとしても、キャビティ燃焼室の形成領域が順タンブル流の流れる方向で小さく抑制され、かつ、排気弁配置側に前記凸部が存在することから圧縮行程で順タンブル流の勢力が減衰されて成層燃焼が不安定となってしまう可能性がある。
【０００４】
そこで、本発明はアイドル運転時等における燃料噴霧の排気弁配置側への拡散抑制効果が得られると共に、順タンブル流を圧縮行程後期に亘って強い流動勢力に維持することができて、成層燃焼，均質燃焼の何れも安定した燃焼を行わせて低負荷運転時および高負荷運転時の出力を高めることができると共に、燃料の壁面付着に起因するスモーク，未燃ＨＣおよびデポジットの発生を抑制することができる筒内噴射式火花点火機関を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明にあっては、ペントルーフタイプの燃焼室の略中央部分に配置した点火プラグと、吸気弁近傍の燃焼室側部から該燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、順タンブル流と平行な一対の側壁と順タンブル流の流れ方向に円弧状をなす底面とで画成されるキャビティ燃焼室を有するピストンと、を備え、吸気工程で燃焼室内に形成される順タンブル流を前記キャビティ燃焼室によって保存しつつ前記燃料噴射弁から前記キャビティ燃焼室へ向けて圧縮行程中に燃料噴射を行って成層燃焼を行うようにした筒内噴射式火花点火機関において、前記キャビティ燃焼室をピストン冠面の吸気弁配置側から排気弁配置側に亘って形成すると共に、該キャビティ燃焼室の最深部をピストン冠面の中央部に設定し、該最深部から排気弁配置側へ延びる前記底面の曲率半径を前記最深部から吸気弁配置側へ延びる前記底面の曲率半径より小さくし、前記最深部から排気弁配置側へ延びる前記底面と排気弁配置側のピストン冠面をなす斜面との間に稜線が形成されるようにしたことを特徴としている。
【０００８】
請求項２の発明にあっては、請求項１に記載のキャビティ燃焼室の排気弁配置側の稜線位置を、ピストン位置がクランクアングルにして６０ｄｅｇ〜１２０ｄｅｇＡＴＤＣにて、燃料噴射弁の噴射口高さにおけるピストン中心軸上の点を中心にシリンダボア半径で描いた円弧とピストン冠面とが交差、又は接する位置に設定したことを特徴としている。
【０００９】
請求項３の発明にあっては、請求項１又は２に記載のキャビティ燃焼室の吸気弁配置側の稜線位置を、成層燃焼時の燃料噴射時期（８０ｄｅｇ〜３０ｄｅｇＢＴＤＣ）に、大気圧下での燃料噴霧角下端線がピストン冠面と交差する位置よりも吸気弁配置側となる位置に設定したことを特徴としている。
【００１０】
請求項４の発明にあっては、請求項１〜３に記載のキャビティ燃焼室を平面視して略長方形とし、順タンブル流の流動方向と直交する方向の開口幅をシリンダボア径の４０％〜８０％に設定したことを特徴としている。
【００１１】
請求項５の発明にあっては、請求項１〜４に記載の燃焼室に連なる吸気ポートに、順タンブル流を強化するタンブル強化手段を設けたことを特徴としている。
【００１２】
請求項６の発明にあっては、請求項５に記載のタンブル強化手段が、成層燃焼時に吸気ポート断面の略下半部を遮断し、均質燃焼時に開放する部分遮断弁であることを特徴としている。
【００１３】
請求項７の発明にあっては、請求項６に記載の吸気ポートの部分遮断弁の上側に、成層燃焼時に吸気の主流を吸気ポート開口部の燃焼室中心側のほぼ半部に指向させる流動ガイド手段を設けたことを特徴としている。
【００１４】
請求項８の発明にあっては、請求項１〜７に記載の燃料噴射弁はその燃料噴霧角が大気圧下で４０〜８０度に設定され、かつ、該燃料噴射弁を水平方向に対して２０〜４０度の俯角で取付けたことを特徴としている。
【００１５】
請求項９の発明にあっては、請求項１〜８に記載の点火プラグを、ピストン中心位置から排気弁配置側にオフセットして設けたことを特徴としている。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、ピストン冠面には吸気弁配置側から排気弁配置側に亘って順タンブル流の流れ方向に円弧状のキャビティ燃焼室を凹設してあるため、成層燃焼時に該キャビティ燃焼室によって順タンブル流が保存され易く、圧縮行程後期に亘って該順タンブル流の流動勢力が衰えることがなく、従って、圧縮行程で噴射された燃料噴霧と順タンブル流との衝突によりピストン冠面への燃料付着が抑制されると共に燃料が微粒化され、かつ、この衝突で流体摩擦を最大限に利用できることにより燃料噴霧の気化および可燃混合気の形成を促進することができる。
【００１７】
一方、アイドル運転時のように回転数が低く順タンブル流の流動勢力がもともと弱い運転時には、燃料噴射弁からキャビティ燃焼室に向けて噴射された燃料噴霧はペネトレイションによってキャビティ燃焼室から排気弁配置側のピストン冠面上方へ拡散する傾向となるが、前記キャビティ燃焼室は吸気弁配置側の円弧状面を大きな曲率半径で形成して順タンブル流の保存性を高め、そして、排気弁配置側の円弧状面を小さな曲率半径で形成してあるため、該小さな曲率半径で形成された円弧状面によって前記燃料噴霧のピストン冠面上方への拡散を抑制でき、従って、順タンブル流の保存とアイドル運転等の低回転時における燃料の拡散抑制とを両立させることができる。
【００１８】
これらのことから、アイドル運転から高回転側に亘って成層燃焼を安定化することができると共に、ピストン冠面への燃料付着に起因するスモーク，未燃ＨＣの低減化とデポジットの堆積を防止できて、成層燃焼の燃焼性の向上と排気エミッションの改善を実現することができる。
【００１９】
他方、均質燃焼時には吸気行程の途中で燃料噴射弁より燃料が噴射されるが、この場合もピストン冠面のキャビティ燃焼室の円弧状の断面形状によって順タンブル流の保存性が高められるため、燃料噴霧と順タンブル流との衝突によるピストン冠面への燃料付着の抑制効果が得られると共に燃料の微粒化と気化の促進効果が得られ、可燃混合気が燃焼室にほぼ均一に広がって均質燃焼を良好に行わせることができ、従って、この場合もスモークや未燃ＨＣの低減化とデポジット堆積を抑制できると共に、燃焼効率および出力の向上を実現することができる。
【００２０】
また、キャビティ燃焼室の円弧状面における２つの異なる曲率半径の中心を、ピストンの略中心上としてあるため、該キャビティ燃焼室の凹部最深部をピストン冠面の中央部に設定することができて、順タンブル流の保存性を更に向上することができる。
【００２１】
しかも、キャビティ燃焼室の円弧状面を形成する２つの異なる曲率半径を、それぞれ成層燃焼の安定性および順タンブル流の保存性の実験結果から得られた最適値に設定してあるため、更に安定した成層燃焼と均質燃焼を行わせることができる。
【００２２】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、キャビティ燃焼室の排気弁配置側の稜線位置を、吸気が最大流速となる時点で順タンブル流と衝突しない位置に設定してあるため、順タンブル流の促進効果を高めることができる。
【００２３】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２の発明の効果に加えて、キャビティ燃焼室の吸気弁配置側の稜線を、成層燃焼時に燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧と衝突しない位置に設定してあるため、燃料噴霧のほぼ全体をキャビティ燃焼室に受容することができて、可燃混合気の形成を更に促進できると共に、キャビティ燃焼室周囲のピストン冠面への燃料付着を回避することができる。
【００２４】
従って、成層燃焼の燃焼性を更に向上できると共に、均質燃焼時には燃料の均質化を促進できて均質燃焼の燃焼性を向上することもできる。
【００２５】
請求項４に記載の発明によれば、請求項１〜３の発明の効果に加えて、キャビティ燃焼室を平面視して略長方形としてあるため、該キャビティ燃焼室の順タンブル流と平行な一対の側壁により順タンブル流の集束作用が得られて、順タンブル流がその流動方向と直交する方向へ逃げるのを抑制でき、しかも、該キャビティ燃焼室の順タンブル流の流動方向と直交方向の開口幅を、成層燃焼の安定性および順タンブル流の保存性の実験結果から得られた最適値に設定してあるため、更に安定した成層燃焼と均質燃焼を行わせることができる。
【００２６】
請求項５に記載の発明によれば、請求項１〜４の発明の効果に加えて、吸気ポートに設けたタンブル強化手段によって順タンブル流を強化できるため、成層燃焼運転領域を広くすることができる。
【００２７】
請求項６に記載の発明によれば、請求項５の発明の効果に加えて、タンブル強化手段を部分遮断弁で構成してあるため、構造が簡単でコスト的に有利に得ることができる。
【００２８】
請求項７に記載の発明によれば、請求項６の発明の効果に加えて、吸気ポートの部分遮断弁の上側に、成層燃焼時に吸気の主流を吸気ポート開口部の燃焼室中心側のほぼ半部に指向させる流動ガイド手段を設けてあるため、順タンブル流をより一層強化することができる。
【００２９】
請求項８に記載の発明によれば、請求項１〜７の発明の効果に加えて、燃料噴射弁の燃料噴霧角および取付角度を、実験の結果得られた最適な角度に設定してあるから、成層燃焼時には燃料噴霧のほぼ全体がキャビティ燃焼室に受容されて該キャビティ燃焼室周囲のピストン冠面上への燃料付着を回避できると共に、点火プラグ周りへの燃料噴霧の良好な輸送性を維持できて成層燃焼の安定化と排気エミッションの改善とをより効率的に行うことができる。
【００３０】
請求項９に記載の発明によれば、請求項１〜８の発明の効果に加えて、点火プラグをピストン中心位置から排気弁配置側にオフセットして設けてあるため、燃料噴霧が排気弁配置側に偏在する傾向となるアイドル運転時のような回転数が低い運転領域であっても着火性を向上することができて、安定した成層燃焼を行わせることができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。
【００３２】
図１において、１はシリンダブロック、２はピストン、３はシリンダヘッド、４はこれらシリンダブロック１，ピストン２，およびシリンダヘッド３とで形成されたペントルーフタイプの燃焼室を示す。
【００３３】
シリンダヘッド３は２つの吸気弁５と、該吸気弁５と対向配置した２つの排気弁６とを備え、一側の吸気ポート７から吸気して他側の排気ポート８から排気するクロスフローポート構造としてある。
【００３４】
シリンダヘッド３には燃焼室４のほぼ中央部分に点火プラグ９を配設してあると共に、吸気弁５近傍の燃焼室側部、具体的には燃焼室４の側部で２つの吸気ポート７，７の開口部間近傍の位置に燃料噴射弁１０を配設して、該燃料噴射弁１０から直接燃焼室４に燃料噴射するようにしてある。
【００３５】
吸気ポート７，７は吸気行程で燃焼室４内に形成される筒内流動としての縦方向旋回流の中でも、図１の矢印Ａで示すように吸気が点火プラグ９の下側を通って排気弁配置側からピストン２の冠面に向かい、該ピストン冠面で反転して上方の点火プラグ９に向かう順タンブル流を形成し得るようにしてある。
【００３６】
また、吸気ポート７，７内には、成層燃焼時に吸気行程で燃焼室４内に形成される順タンブル流Ａを強化するタンブル強化手段１１を設けてある。
【００３７】
このタンブル強化手段１１は成層燃焼時に吸気ポート７の断面積の半分以上のほぼ下半部を遮断する部分遮断弁で構成してあり、該部分遮断弁１１は各々のポートで開口率を抑制できるようにしてある。
【００３８】
また、部分遮断弁１１の上側には、成層燃焼時に吸気の主流を吸気ポート７の燃焼室４に臨む開口部の燃焼室中心側のほぼ半部に指向させる流動ガイド手段１２を設けてある。
【００３９】
本実施形態では流動ガイド手段１２として、吸気ポート７内をほぼ上下に隔成して先端が吸気弁５の近くまで延びる隔壁１２ａで構成した場合を示しているが、図１の仮想線で示すように吸気弁５近傍の吸気ポート上壁より空気を噴射するサブポート１２ｂで構成してもよく、あるいはこれら隔壁１２ａとサブポート１２ｂとを併設したものであってもよい。
【００４０】
一方、ピストン２の冠面の中央部には吸気行程で形成される順タンブル流Ａの流れ方向に円弧状とした凹部からなるキャビティ燃焼室１３を形成してある。
【００４１】
このキャビティ燃焼室１３は図２，３にも示すように、ピストン冠面の吸気弁側寄りに吸気弁配置側から排気弁配置側に亘って平面視して長方形に形成してあり、前記順タンブル流Ａの流れ方向と直交する方向から見た断面形状を、吸気弁配置側に大きな曲率半径Ｒ2 を持ち、排気弁配置側に小さな曲率半径Ｒ1 を持つ２つの異なる曲率半径で円弧状に形成してある。
【００４２】
本実施形態では前記キャビティ燃焼室１３の円弧状面を形成する２つの異なる曲率半径Ｒ1 ，Ｒ2 の中心を、ピストン２の略中心Ｐ・Ｏ軸上に設定してある。
【００４３】
以上の実施形態の構造によれば、ピストン２の冠面の中央部には、吸気行程で燃焼室４内に形成される順タンブル流Ａの流れ方向に円弧状の凹部として形成されるキャビティ燃焼室１３を、吸気弁配置側から排気弁配置側に亘って形成してあるため、該キャビティ燃焼室１３によって順タンブル流Ａが保存され易くなっていることに加えて、吸気ポート７内にはタンブル強化手段１１を設けてあるため、成層燃焼時に燃焼室４内に強い順タンブル流Ａが形成され、前記キャビティ燃焼室１３によってこの強い順タンブル流Ａが保存されることから、圧縮行程後期に亘って強い順タンブル流Ａの流動勢力が減衰されることがない。
【００４４】
従って、この圧縮行程後期に燃料噴射弁１０から燃料が噴射されると、燃料噴霧は図１に符号Ｆで示すようにキャビティ燃焼室１３の円弧状凹部に指向するが、この燃料噴霧Ｆは前記強い順タンブル流Ａと衝突してピストン冠面への燃料付着が抑制されると共に燃料が微粒化され、かつ、この衝突で流体摩擦を最大限に利用できることにより燃料噴霧Ｆの気化および可燃混合気の形成が促進される。
【００４５】
一方、アイドル運転時のように回転数が低く順タンブル流Ａの流動勢力がもともと弱い運転時には、燃料噴射弁１０からキャビティ燃焼室１３に向けて噴射された燃料噴霧Ｆはペネトレーションによってキャビティ燃焼室１３から排気弁配置側のピストン冠面上方へ拡散する傾向となるが、前記キャビティ燃焼室１３は吸気弁配置側の円弧状面を大きな曲率半径Ｒ2 で形成して順タンブル流Ａの保存性を高め、そして、排気弁配置側の円弧状面を小さな曲率半径Ｒ1 で形成してあるため、この小さな曲率半径で形成された円弧状面によって前記燃料噴霧Ｆのピストン冠面上方への拡散を抑制でき、従って、順タンブル流の保存と該アイドル運転等の低回転時における燃料噴霧の拡散抑制とを両立させることができる。
【００４６】
これらのことから、アイドル運転から高回転側に亘って成層燃焼を安定化することができると共に、ピストン冠面への燃料付着に起因するスモーク，未燃ＨＣの低減化とデポジットの堆積を防止できて、成層燃焼の向上と排気エミッションの改善を実現することができる。
【００４７】
特に、本実施形態にあっては、前記キャビティ燃焼室１３の円弧状面における２つの異なる曲率半径Ｒ1 ，Ｒ2 の中心を、ピストン２の略中心Ｐ・Ｏ上としてあるため、該キャビティ燃焼室１３の凹部最深部をピストン冠面の中央部に設定することができることと併せ、該キャビティ燃焼室１３を平面視して略長方形に形成してあるため、該キャビティ燃焼室１３の順タンブル流Ａと平行な一対の側壁１３ａにより順タンブル流Ａの集束作用が得られて、順タンブル流Ａがその流動方向と直交する方向へ逃げるのを抑制できることから、順タンブル流Ａの保存性を高めることができて、成層燃焼の安定性をより一層向上することができる。
【００４８】
また、本実施形態では前述のタンブル強化手段１１として、吸気ポート７の略下半部を遮断するようにした構造が簡単で設計上有利な部分遮断弁を採用し、そして、この部分遮断弁１１の上側に流動ガイド手段１２として吸気ポート７を上下に隔成する隔壁１２ａを設けて、成層燃焼時に吸気の主流を吸気ポート７の燃焼室４に臨む開口部の燃焼室中心側のほぼ半部に指向させるようにしてあるため該成層燃焼時に燃焼室４内に形成される順タンブル流Ａの流動勢力を更に高めることができる。
【００４９】
他方、均質燃焼時には吸気行程の途中で燃料噴射弁１０より燃料が噴射されるが、この場合もピストン冠面のキャビティ燃焼室１３の円弧状の断面形状によって順タンブル流Ａの保存性が高められるため、燃料噴霧Ｆと順タンブル流Ａとの衝突によるピストン冠面への燃料付着の抑制効果が得られると共に燃料の微粒化と気化の促進効果が得られ、可燃混合気が燃焼室４内にほぼ均一に広がって均質燃焼を良好に行わせることができ、従って、この場合もスモークや未燃ＨＣの低減化とデポジット堆積を抑制できると共に、燃焼効率および出力の向上を実現することができる。
【００５０】
ここで、前述の順タンブル流Ａの流動強さは、キャビティ燃焼室１３の円弧状面の曲率半径に大きく影響され、本発明者の実験によれば図８に示すように該曲率半径をシリンダボア径の５０％程度とした場合に最も強い順タンブル流が形成され、シリンダボア径の４０％未満および７０％以上とした場合には何れも順タンブル流の流動勢力が低下することが確認されている。
【００５１】
そこで、前記キャビティ燃焼室１３は吸気弁配置側の円弧状面の曲率半径Ｒ2 をシリンダボア径の５０％以上に、および排気弁配置側の円弧状面の曲率半径Ｒ1 をシリンダボア径の４０％〜７０％に設定するとよく、これにより吸気行程で燃焼室４内に強い順タンブル流Ａを形成することができて、成層燃焼はもとより均質燃焼の燃焼性を向上することができる。
【００５２】
また、キャビティ燃焼室１３の排気弁配置側の稜線Ｓ・Ｅ1 の位置は成層燃焼の燃焼性に大きく影響し、図４および図７に示すようにピストン２の位置が、クランクアングルにして９０ｄｅｇＡＴＤＣ時に燃料噴射弁１０の噴口１０ａの高さ位置におけるピストン中心Ｐ・Ｏ軸上を中心にシリンダボア半径で描いた円弧Ｃと、ピストン２の冠面とが交差する位置に前記稜線Ｓ・Ｅ1 を設定した場合に成層燃焼の安定性が最も良く、６０ｄｅｇＡＴＤＣ以前および１２０ｄｅｇＡＴＤＣ以降で前記円弧Ｃとピストン冠面とが交差する位置を稜線Ｓ・Ｅ1 として設定した場合には、何れも成層燃焼が不安定となってしまうことが確認されている。
【００５３】
従って、前記キャビティ燃焼室１３の排気弁配置側の稜線Ｓ・Ｅ1 は、ピストン位置がクランクアングルにして６０ｄｅｇ〜１２０ｄｅｇにて、燃料噴射弁１０の噴口１０ａの高さにおけるピストン中心Ｐ・Ｏ上を中心にシリンダボア半径で描いた円弧Ｃと、ピストン冠面とが交差する位置に設定することが望ましく、これにより、前記排気弁配置側の稜線Ｓ・Ｅ1 が吸気の最大流速時（６０ｄｅｇ〜１２０ｄｅｇＡＴＤＣ）に順タンブル流Ａと衝突しない位置となって該順タンブル流Ａの促進効果が高められ、成層燃焼をより一層安定化することができる。
【００５４】
一方、キャビティ燃焼室１３の吸気弁配置側の稜線Ｓ・Ｅ2 に関しては、図５に示すように成層燃焼時の燃料噴射時期（８０ｄｅｇ〜３０ｄｅｇＢＴＤＣ）に、大気圧下での燃料噴霧Ｆの円錘角の下端線Ｌがピストン冠面と交差する位置よりも吸気弁配置側となる位置に設定する。
【００５５】
これにより、成層燃焼時に燃料噴射弁１０から噴射された燃料噴霧Ｆのほぼ全体をキャビティ燃焼室１３に受容することができて、可燃混合気の形成を更に促進できると共に、キャビティ燃焼室１３周囲のピストン冠面への燃料付着を回避することができる。
【００５６】
この結果、成層燃焼の燃焼性を更に向上できると共に、均質燃焼時には燃料の均質化を促進できて均質燃焼の燃焼性を向上することもできる。
【００５７】
また、このキャビティ燃焼室１３は前述のようにピストン２の冠面中央部分に平面視して略長方形に形成してあるが、その順タンブル流Ａの流動方向と直交する方向の開口幅Ｄ（図３参照）を最適値に設定することが肝要である。
【００５８】
これは、図６に示すように前記開口幅Ｄをシリンダボア径の５０％程度とした場合に成層燃焼の安定性が最も良く、対ボア径比４０％以下では開口幅が狭すぎて噴射燃料を受け止めきれずに燃料噴霧が拡散して燃焼が不安定となってしまい、対ボア径比８０％以上では開口幅が広すぎて噴射燃料がキャビティ燃焼室１３内で拡散し、この場合も燃焼が不安定となってしまう。
【００５９】
このことから、前記開口幅Ｄは対ボア径比４０％〜８０％に設定することによって、燃料噴霧Ｆの捕捉性と順タンブル流Ａの促進性が向上し、更に安定した成層燃焼と均質燃焼とを行わせることができる。
【００６０】
更に、燃料噴射弁１０についてはその燃料噴霧角を大気圧下で４０〜８０度の範囲に設定することが望ましく、該範囲よりも小さいと燃料噴霧のペネトレーションが強くピストン冠面への燃料付着量が多くなってしまい、逆に前記範囲よりも大きいと燃料噴霧の広がりが大きくシリンダヘッド３への燃料付着量が多くなると共に、点火プラグ９の燃料被りによるくすぶりが生じて燃焼性が悪化してしまう。
【００６１】
そして、このように燃料噴射弁１０の燃料噴霧角を最適値に設定しても、その取付角度を適切にすることが肝要で、燃料噴霧がピストンヘッド３に付着しないように噴霧上端が水平に位置すると共に、燃料噴射終了時に噴霧下端が直接ピストン冠面に付着しないようにする必要があり、このためには燃料噴射弁１０を水平方向に対して２０〜４０度の俯角で取付けることが望ましい。
【００６２】
また、点火プラグ９については前述のように燃焼室４のほぼ中央部分に臨む位置に取付けられるが、低回転成層燃焼時の着火性を考慮して該点火プラグ９をピストン中心位置から若干排気弁配置側にオフセットした位置に取付けるとよい。
【００６３】
即ち、アイドル運転時のように回転数が低い運転領域では順タンブル流Ａの流動勢力が比較的弱く、このため燃料噴射弁１０から噴射された燃料噴霧が排気弁配置側に偏在する傾向となるが、点火プラグ９の取付位置をピストン中心位置から若干排気弁配置側にオフセットした位置に設定しておけば、かかる運転領域でも確実に着火させることができて着火性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を概略的に示す断面説明図。
【図２】本発明の実施形態のキャビティ燃焼室の構造を示す断面説明図。
【図３】本発明の実施形態のピストン冠面の平面説明図。
【図４】本発明の実施形態のキャビティ燃焼室の排気弁配置側稜線位置を説明する断面説明図。
【図５】本発明の実施形態のキャビティ燃焼室の吸気弁配置側稜線位置を説明する断面説明図。
【図６】キャビティ燃焼室幅と燃焼安定性との関係の実験結果を示す線図。
【図７】キャビティ燃焼室の排気弁配置側稜線位置と燃焼安定性の実験結果を示す線図。
【図８】キャビティ燃焼室の円弧状面の曲率半径とタンブル強さとの関係の実験結果を示す線図。
【符号の説明】
１ シリンダブロック
２ ピストン
３ シリンダヘッド
４ 燃焼室
５ 吸気弁
６ 排気弁
７ 吸気ポート
８ 排気ポート
９ 点火プラグ
１０ 燃料噴射弁
１１ 流動制御弁
１２ 流動ガイド手段
１３ キャビティ燃焼室
Ａ 順タンブル流
Ｆ 燃料噴霧
Ｓ・Ｅ1 排気弁配置側稜線
Ｓ・Ｅ2 吸気弁配置側稜線
Ｒ1 小さい側の曲率半径
Ｒ2 大きい側の曲率半径
【発明の属する技術分野】
本発明は筒内噴射式火花点火機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内噴射式火花点火機関の中には、例えば特開平１１−６２５９３号公報や特開平９−７９０３８号公報に示されているように、ピストン冠面の吸気弁配置側にオフセットして円弧状凹部のキャビティ燃焼室を形成すると共に、排気弁配置側には該キャビティ燃焼室の円弧状凹部の縁部に連なって傾斜した凸部を形成し、成層燃焼時に燃料噴射弁から前記キャビティ燃焼室に向けて噴射された燃料噴霧と、吸気行程で燃焼室に形成された順タンブル流との衝突拡散による混合気形成の促進と、燃料噴霧の必要以上の拡散防止とを図ったものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述のようにキャビティ燃焼室をピストン冠面の吸気弁配置側にオフセットして設け、排気弁配置側に凸部を設定することによって、アイドル運転時のように回転数が低く順タンブル流の流動勢力がもともと弱い運転時には、吸気弁近傍位置に設けた燃料噴射弁からキャビティ燃焼室に向けて噴射された燃料噴霧の排気弁配置側への拡散抑制効果が期待できるとしても、キャビティ燃焼室の形成領域が順タンブル流の流れる方向で小さく抑制され、かつ、排気弁配置側に前記凸部が存在することから圧縮行程で順タンブル流の勢力が減衰されて成層燃焼が不安定となってしまう可能性がある。
【０００４】
そこで、本発明はアイドル運転時等における燃料噴霧の排気弁配置側への拡散抑制効果が得られると共に、順タンブル流を圧縮行程後期に亘って強い流動勢力に維持することができて、成層燃焼，均質燃焼の何れも安定した燃焼を行わせて低負荷運転時および高負荷運転時の出力を高めることができると共に、燃料の壁面付着に起因するスモーク，未燃ＨＣおよびデポジットの発生を抑制することができる筒内噴射式火花点火機関を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明にあっては、ペントルーフタイプの燃焼室の略中央部分に配置した点火プラグと、吸気弁近傍の燃焼室側部から該燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、順タンブル流と平行な一対の側壁と順タンブル流の流れ方向に円弧状をなす底面とで画成されるキャビティ燃焼室を有するピストンと、を備え、吸気工程で燃焼室内に形成される順タンブル流を前記キャビティ燃焼室によって保存しつつ前記燃料噴射弁から前記キャビティ燃焼室へ向けて圧縮行程中に燃料噴射を行って成層燃焼を行うようにした筒内噴射式火花点火機関において、前記キャビティ燃焼室をピストン冠面の吸気弁配置側から排気弁配置側に亘って形成すると共に、該キャビティ燃焼室の最深部をピストン冠面の中央部に設定し、該最深部から排気弁配置側へ延びる前記底面の曲率半径を前記最深部から吸気弁配置側へ延びる前記底面の曲率半径より小さくし、前記最深部から排気弁配置側へ延びる前記底面と排気弁配置側のピストン冠面をなす斜面との間に稜線が形成されるようにしたことを特徴としている。
【０００８】
請求項２の発明にあっては、請求項１に記載のキャビティ燃焼室の排気弁配置側の稜線位置を、ピストン位置がクランクアングルにして６０ｄｅｇ〜１２０ｄｅｇＡＴＤＣにて、燃料噴射弁の噴射口高さにおけるピストン中心軸上の点を中心にシリンダボア半径で描いた円弧とピストン冠面とが交差、又は接する位置に設定したことを特徴としている。
【０００９】
請求項３の発明にあっては、請求項１又は２に記載のキャビティ燃焼室の吸気弁配置側の稜線位置を、成層燃焼時の燃料噴射時期（８０ｄｅｇ〜３０ｄｅｇＢＴＤＣ）に、大気圧下での燃料噴霧角下端線がピストン冠面と交差する位置よりも吸気弁配置側となる位置に設定したことを特徴としている。
【００１０】
請求項４の発明にあっては、請求項１〜３に記載のキャビティ燃焼室を平面視して略長方形とし、順タンブル流の流動方向と直交する方向の開口幅をシリンダボア径の４０％〜８０％に設定したことを特徴としている。
【００１１】
請求項５の発明にあっては、請求項１〜４に記載の燃焼室に連なる吸気ポートに、順タンブル流を強化するタンブル強化手段を設けたことを特徴としている。
【００１２】
請求項６の発明にあっては、請求項５に記載のタンブル強化手段が、成層燃焼時に吸気ポート断面の略下半部を遮断し、均質燃焼時に開放する部分遮断弁であることを特徴としている。
【００１３】
請求項７の発明にあっては、請求項６に記載の吸気ポートの部分遮断弁の上側に、成層燃焼時に吸気の主流を吸気ポート開口部の燃焼室中心側のほぼ半部に指向させる流動ガイド手段を設けたことを特徴としている。
【００１４】
請求項８の発明にあっては、請求項１〜７に記載の燃料噴射弁はその燃料噴霧角が大気圧下で４０〜８０度に設定され、かつ、該燃料噴射弁を水平方向に対して２０〜４０度の俯角で取付けたことを特徴としている。
【００１５】
請求項９の発明にあっては、請求項１〜８に記載の点火プラグを、ピストン中心位置から排気弁配置側にオフセットして設けたことを特徴としている。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、ピストン冠面には吸気弁配置側から排気弁配置側に亘って順タンブル流の流れ方向に円弧状のキャビティ燃焼室を凹設してあるため、成層燃焼時に該キャビティ燃焼室によって順タンブル流が保存され易く、圧縮行程後期に亘って該順タンブル流の流動勢力が衰えることがなく、従って、圧縮行程で噴射された燃料噴霧と順タンブル流との衝突によりピストン冠面への燃料付着が抑制されると共に燃料が微粒化され、かつ、この衝突で流体摩擦を最大限に利用できることにより燃料噴霧の気化および可燃混合気の形成を促進することができる。
【００１７】
一方、アイドル運転時のように回転数が低く順タンブル流の流動勢力がもともと弱い運転時には、燃料噴射弁からキャビティ燃焼室に向けて噴射された燃料噴霧はペネトレイションによってキャビティ燃焼室から排気弁配置側のピストン冠面上方へ拡散する傾向となるが、前記キャビティ燃焼室は吸気弁配置側の円弧状面を大きな曲率半径で形成して順タンブル流の保存性を高め、そして、排気弁配置側の円弧状面を小さな曲率半径で形成してあるため、該小さな曲率半径で形成された円弧状面によって前記燃料噴霧のピストン冠面上方への拡散を抑制でき、従って、順タンブル流の保存とアイドル運転等の低回転時における燃料の拡散抑制とを両立させることができる。
【００１８】
これらのことから、アイドル運転から高回転側に亘って成層燃焼を安定化することができると共に、ピストン冠面への燃料付着に起因するスモーク，未燃ＨＣの低減化とデポジットの堆積を防止できて、成層燃焼の燃焼性の向上と排気エミッションの改善を実現することができる。
【００１９】
他方、均質燃焼時には吸気行程の途中で燃料噴射弁より燃料が噴射されるが、この場合もピストン冠面のキャビティ燃焼室の円弧状の断面形状によって順タンブル流の保存性が高められるため、燃料噴霧と順タンブル流との衝突によるピストン冠面への燃料付着の抑制効果が得られると共に燃料の微粒化と気化の促進効果が得られ、可燃混合気が燃焼室にほぼ均一に広がって均質燃焼を良好に行わせることができ、従って、この場合もスモークや未燃ＨＣの低減化とデポジット堆積を抑制できると共に、燃焼効率および出力の向上を実現することができる。
【００２０】
また、キャビティ燃焼室の円弧状面における２つの異なる曲率半径の中心を、ピストンの略中心上としてあるため、該キャビティ燃焼室の凹部最深部をピストン冠面の中央部に設定することができて、順タンブル流の保存性を更に向上することができる。
【００２１】
しかも、キャビティ燃焼室の円弧状面を形成する２つの異なる曲率半径を、それぞれ成層燃焼の安定性および順タンブル流の保存性の実験結果から得られた最適値に設定してあるため、更に安定した成層燃焼と均質燃焼を行わせることができる。
【００２２】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、キャビティ燃焼室の排気弁配置側の稜線位置を、吸気が最大流速となる時点で順タンブル流と衝突しない位置に設定してあるため、順タンブル流の促進効果を高めることができる。
【００２３】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２の発明の効果に加えて、キャビティ燃焼室の吸気弁配置側の稜線を、成層燃焼時に燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧と衝突しない位置に設定してあるため、燃料噴霧のほぼ全体をキャビティ燃焼室に受容することができて、可燃混合気の形成を更に促進できると共に、キャビティ燃焼室周囲のピストン冠面への燃料付着を回避することができる。
【００２４】
従って、成層燃焼の燃焼性を更に向上できると共に、均質燃焼時には燃料の均質化を促進できて均質燃焼の燃焼性を向上することもできる。
【００２５】
請求項４に記載の発明によれば、請求項１〜３の発明の効果に加えて、キャビティ燃焼室を平面視して略長方形としてあるため、該キャビティ燃焼室の順タンブル流と平行な一対の側壁により順タンブル流の集束作用が得られて、順タンブル流がその流動方向と直交する方向へ逃げるのを抑制でき、しかも、該キャビティ燃焼室の順タンブル流の流動方向と直交方向の開口幅を、成層燃焼の安定性および順タンブル流の保存性の実験結果から得られた最適値に設定してあるため、更に安定した成層燃焼と均質燃焼を行わせることができる。
【００２６】
請求項５に記載の発明によれば、請求項１〜４の発明の効果に加えて、吸気ポートに設けたタンブル強化手段によって順タンブル流を強化できるため、成層燃焼運転領域を広くすることができる。
【００２７】
請求項６に記載の発明によれば、請求項５の発明の効果に加えて、タンブル強化手段を部分遮断弁で構成してあるため、構造が簡単でコスト的に有利に得ることができる。
【００２８】
請求項７に記載の発明によれば、請求項６の発明の効果に加えて、吸気ポートの部分遮断弁の上側に、成層燃焼時に吸気の主流を吸気ポート開口部の燃焼室中心側のほぼ半部に指向させる流動ガイド手段を設けてあるため、順タンブル流をより一層強化することができる。
【００２９】
請求項８に記載の発明によれば、請求項１〜７の発明の効果に加えて、燃料噴射弁の燃料噴霧角および取付角度を、実験の結果得られた最適な角度に設定してあるから、成層燃焼時には燃料噴霧のほぼ全体がキャビティ燃焼室に受容されて該キャビティ燃焼室周囲のピストン冠面上への燃料付着を回避できると共に、点火プラグ周りへの燃料噴霧の良好な輸送性を維持できて成層燃焼の安定化と排気エミッションの改善とをより効率的に行うことができる。
【００３０】
請求項９に記載の発明によれば、請求項１〜８の発明の効果に加えて、点火プラグをピストン中心位置から排気弁配置側にオフセットして設けてあるため、燃料噴霧が排気弁配置側に偏在する傾向となるアイドル運転時のような回転数が低い運転領域であっても着火性を向上することができて、安定した成層燃焼を行わせることができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。
【００３２】
図１において、１はシリンダブロック、２はピストン、３はシリンダヘッド、４はこれらシリンダブロック１，ピストン２，およびシリンダヘッド３とで形成されたペントルーフタイプの燃焼室を示す。
【００３３】
シリンダヘッド３は２つの吸気弁５と、該吸気弁５と対向配置した２つの排気弁６とを備え、一側の吸気ポート７から吸気して他側の排気ポート８から排気するクロスフローポート構造としてある。
【００３４】
シリンダヘッド３には燃焼室４のほぼ中央部分に点火プラグ９を配設してあると共に、吸気弁５近傍の燃焼室側部、具体的には燃焼室４の側部で２つの吸気ポート７，７の開口部間近傍の位置に燃料噴射弁１０を配設して、該燃料噴射弁１０から直接燃焼室４に燃料噴射するようにしてある。
【００３５】
吸気ポート７，７は吸気行程で燃焼室４内に形成される筒内流動としての縦方向旋回流の中でも、図１の矢印Ａで示すように吸気が点火プラグ９の下側を通って排気弁配置側からピストン２の冠面に向かい、該ピストン冠面で反転して上方の点火プラグ９に向かう順タンブル流を形成し得るようにしてある。
【００３６】
また、吸気ポート７，７内には、成層燃焼時に吸気行程で燃焼室４内に形成される順タンブル流Ａを強化するタンブル強化手段１１を設けてある。
【００３７】
このタンブル強化手段１１は成層燃焼時に吸気ポート７の断面積の半分以上のほぼ下半部を遮断する部分遮断弁で構成してあり、該部分遮断弁１１は各々のポートで開口率を抑制できるようにしてある。
【００３８】
また、部分遮断弁１１の上側には、成層燃焼時に吸気の主流を吸気ポート７の燃焼室４に臨む開口部の燃焼室中心側のほぼ半部に指向させる流動ガイド手段１２を設けてある。
【００３９】
本実施形態では流動ガイド手段１２として、吸気ポート７内をほぼ上下に隔成して先端が吸気弁５の近くまで延びる隔壁１２ａで構成した場合を示しているが、図１の仮想線で示すように吸気弁５近傍の吸気ポート上壁より空気を噴射するサブポート１２ｂで構成してもよく、あるいはこれら隔壁１２ａとサブポート１２ｂとを併設したものであってもよい。
【００４０】
一方、ピストン２の冠面の中央部には吸気行程で形成される順タンブル流Ａの流れ方向に円弧状とした凹部からなるキャビティ燃焼室１３を形成してある。
【００４１】
このキャビティ燃焼室１３は図２，３にも示すように、ピストン冠面の吸気弁側寄りに吸気弁配置側から排気弁配置側に亘って平面視して長方形に形成してあり、前記順タンブル流Ａの流れ方向と直交する方向から見た断面形状を、吸気弁配置側に大きな曲率半径Ｒ2 を持ち、排気弁配置側に小さな曲率半径Ｒ1 を持つ２つの異なる曲率半径で円弧状に形成してある。
【００４２】
本実施形態では前記キャビティ燃焼室１３の円弧状面を形成する２つの異なる曲率半径Ｒ1 ，Ｒ2 の中心を、ピストン２の略中心Ｐ・Ｏ軸上に設定してある。
【００４３】
以上の実施形態の構造によれば、ピストン２の冠面の中央部には、吸気行程で燃焼室４内に形成される順タンブル流Ａの流れ方向に円弧状の凹部として形成されるキャビティ燃焼室１３を、吸気弁配置側から排気弁配置側に亘って形成してあるため、該キャビティ燃焼室１３によって順タンブル流Ａが保存され易くなっていることに加えて、吸気ポート７内にはタンブル強化手段１１を設けてあるため、成層燃焼時に燃焼室４内に強い順タンブル流Ａが形成され、前記キャビティ燃焼室１３によってこの強い順タンブル流Ａが保存されることから、圧縮行程後期に亘って強い順タンブル流Ａの流動勢力が減衰されることがない。
【００４４】
従って、この圧縮行程後期に燃料噴射弁１０から燃料が噴射されると、燃料噴霧は図１に符号Ｆで示すようにキャビティ燃焼室１３の円弧状凹部に指向するが、この燃料噴霧Ｆは前記強い順タンブル流Ａと衝突してピストン冠面への燃料付着が抑制されると共に燃料が微粒化され、かつ、この衝突で流体摩擦を最大限に利用できることにより燃料噴霧Ｆの気化および可燃混合気の形成が促進される。
【００４５】
一方、アイドル運転時のように回転数が低く順タンブル流Ａの流動勢力がもともと弱い運転時には、燃料噴射弁１０からキャビティ燃焼室１３に向けて噴射された燃料噴霧Ｆはペネトレーションによってキャビティ燃焼室１３から排気弁配置側のピストン冠面上方へ拡散する傾向となるが、前記キャビティ燃焼室１３は吸気弁配置側の円弧状面を大きな曲率半径Ｒ2 で形成して順タンブル流Ａの保存性を高め、そして、排気弁配置側の円弧状面を小さな曲率半径Ｒ1 で形成してあるため、この小さな曲率半径で形成された円弧状面によって前記燃料噴霧Ｆのピストン冠面上方への拡散を抑制でき、従って、順タンブル流の保存と該アイドル運転等の低回転時における燃料噴霧の拡散抑制とを両立させることができる。
【００４６】
これらのことから、アイドル運転から高回転側に亘って成層燃焼を安定化することができると共に、ピストン冠面への燃料付着に起因するスモーク，未燃ＨＣの低減化とデポジットの堆積を防止できて、成層燃焼の向上と排気エミッションの改善を実現することができる。
【００４７】
特に、本実施形態にあっては、前記キャビティ燃焼室１３の円弧状面における２つの異なる曲率半径Ｒ1 ，Ｒ2 の中心を、ピストン２の略中心Ｐ・Ｏ上としてあるため、該キャビティ燃焼室１３の凹部最深部をピストン冠面の中央部に設定することができることと併せ、該キャビティ燃焼室１３を平面視して略長方形に形成してあるため、該キャビティ燃焼室１３の順タンブル流Ａと平行な一対の側壁１３ａにより順タンブル流Ａの集束作用が得られて、順タンブル流Ａがその流動方向と直交する方向へ逃げるのを抑制できることから、順タンブル流Ａの保存性を高めることができて、成層燃焼の安定性をより一層向上することができる。
【００４８】
また、本実施形態では前述のタンブル強化手段１１として、吸気ポート７の略下半部を遮断するようにした構造が簡単で設計上有利な部分遮断弁を採用し、そして、この部分遮断弁１１の上側に流動ガイド手段１２として吸気ポート７を上下に隔成する隔壁１２ａを設けて、成層燃焼時に吸気の主流を吸気ポート７の燃焼室４に臨む開口部の燃焼室中心側のほぼ半部に指向させるようにしてあるため該成層燃焼時に燃焼室４内に形成される順タンブル流Ａの流動勢力を更に高めることができる。
【００４９】
他方、均質燃焼時には吸気行程の途中で燃料噴射弁１０より燃料が噴射されるが、この場合もピストン冠面のキャビティ燃焼室１３の円弧状の断面形状によって順タンブル流Ａの保存性が高められるため、燃料噴霧Ｆと順タンブル流Ａとの衝突によるピストン冠面への燃料付着の抑制効果が得られると共に燃料の微粒化と気化の促進効果が得られ、可燃混合気が燃焼室４内にほぼ均一に広がって均質燃焼を良好に行わせることができ、従って、この場合もスモークや未燃ＨＣの低減化とデポジット堆積を抑制できると共に、燃焼効率および出力の向上を実現することができる。
【００５０】
ここで、前述の順タンブル流Ａの流動強さは、キャビティ燃焼室１３の円弧状面の曲率半径に大きく影響され、本発明者の実験によれば図８に示すように該曲率半径をシリンダボア径の５０％程度とした場合に最も強い順タンブル流が形成され、シリンダボア径の４０％未満および７０％以上とした場合には何れも順タンブル流の流動勢力が低下することが確認されている。
【００５１】
そこで、前記キャビティ燃焼室１３は吸気弁配置側の円弧状面の曲率半径Ｒ2 をシリンダボア径の５０％以上に、および排気弁配置側の円弧状面の曲率半径Ｒ1 をシリンダボア径の４０％〜７０％に設定するとよく、これにより吸気行程で燃焼室４内に強い順タンブル流Ａを形成することができて、成層燃焼はもとより均質燃焼の燃焼性を向上することができる。
【００５２】
また、キャビティ燃焼室１３の排気弁配置側の稜線Ｓ・Ｅ1 の位置は成層燃焼の燃焼性に大きく影響し、図４および図７に示すようにピストン２の位置が、クランクアングルにして９０ｄｅｇＡＴＤＣ時に燃料噴射弁１０の噴口１０ａの高さ位置におけるピストン中心Ｐ・Ｏ軸上を中心にシリンダボア半径で描いた円弧Ｃと、ピストン２の冠面とが交差する位置に前記稜線Ｓ・Ｅ1 を設定した場合に成層燃焼の安定性が最も良く、６０ｄｅｇＡＴＤＣ以前および１２０ｄｅｇＡＴＤＣ以降で前記円弧Ｃとピストン冠面とが交差する位置を稜線Ｓ・Ｅ1 として設定した場合には、何れも成層燃焼が不安定となってしまうことが確認されている。
【００５３】
従って、前記キャビティ燃焼室１３の排気弁配置側の稜線Ｓ・Ｅ1 は、ピストン位置がクランクアングルにして６０ｄｅｇ〜１２０ｄｅｇにて、燃料噴射弁１０の噴口１０ａの高さにおけるピストン中心Ｐ・Ｏ上を中心にシリンダボア半径で描いた円弧Ｃと、ピストン冠面とが交差する位置に設定することが望ましく、これにより、前記排気弁配置側の稜線Ｓ・Ｅ1 が吸気の最大流速時（６０ｄｅｇ〜１２０ｄｅｇＡＴＤＣ）に順タンブル流Ａと衝突しない位置となって該順タンブル流Ａの促進効果が高められ、成層燃焼をより一層安定化することができる。
【００５４】
一方、キャビティ燃焼室１３の吸気弁配置側の稜線Ｓ・Ｅ2 に関しては、図５に示すように成層燃焼時の燃料噴射時期（８０ｄｅｇ〜３０ｄｅｇＢＴＤＣ）に、大気圧下での燃料噴霧Ｆの円錘角の下端線Ｌがピストン冠面と交差する位置よりも吸気弁配置側となる位置に設定する。
【００５５】
これにより、成層燃焼時に燃料噴射弁１０から噴射された燃料噴霧Ｆのほぼ全体をキャビティ燃焼室１３に受容することができて、可燃混合気の形成を更に促進できると共に、キャビティ燃焼室１３周囲のピストン冠面への燃料付着を回避することができる。
【００５６】
この結果、成層燃焼の燃焼性を更に向上できると共に、均質燃焼時には燃料の均質化を促進できて均質燃焼の燃焼性を向上することもできる。
【００５７】
また、このキャビティ燃焼室１３は前述のようにピストン２の冠面中央部分に平面視して略長方形に形成してあるが、その順タンブル流Ａの流動方向と直交する方向の開口幅Ｄ（図３参照）を最適値に設定することが肝要である。
【００５８】
これは、図６に示すように前記開口幅Ｄをシリンダボア径の５０％程度とした場合に成層燃焼の安定性が最も良く、対ボア径比４０％以下では開口幅が狭すぎて噴射燃料を受け止めきれずに燃料噴霧が拡散して燃焼が不安定となってしまい、対ボア径比８０％以上では開口幅が広すぎて噴射燃料がキャビティ燃焼室１３内で拡散し、この場合も燃焼が不安定となってしまう。
【００５９】
このことから、前記開口幅Ｄは対ボア径比４０％〜８０％に設定することによって、燃料噴霧Ｆの捕捉性と順タンブル流Ａの促進性が向上し、更に安定した成層燃焼と均質燃焼とを行わせることができる。
【００６０】
更に、燃料噴射弁１０についてはその燃料噴霧角を大気圧下で４０〜８０度の範囲に設定することが望ましく、該範囲よりも小さいと燃料噴霧のペネトレーションが強くピストン冠面への燃料付着量が多くなってしまい、逆に前記範囲よりも大きいと燃料噴霧の広がりが大きくシリンダヘッド３への燃料付着量が多くなると共に、点火プラグ９の燃料被りによるくすぶりが生じて燃焼性が悪化してしまう。
【００６１】
そして、このように燃料噴射弁１０の燃料噴霧角を最適値に設定しても、その取付角度を適切にすることが肝要で、燃料噴霧がピストンヘッド３に付着しないように噴霧上端が水平に位置すると共に、燃料噴射終了時に噴霧下端が直接ピストン冠面に付着しないようにする必要があり、このためには燃料噴射弁１０を水平方向に対して２０〜４０度の俯角で取付けることが望ましい。
【００６２】
また、点火プラグ９については前述のように燃焼室４のほぼ中央部分に臨む位置に取付けられるが、低回転成層燃焼時の着火性を考慮して該点火プラグ９をピストン中心位置から若干排気弁配置側にオフセットした位置に取付けるとよい。
【００６３】
即ち、アイドル運転時のように回転数が低い運転領域では順タンブル流Ａの流動勢力が比較的弱く、このため燃料噴射弁１０から噴射された燃料噴霧が排気弁配置側に偏在する傾向となるが、点火プラグ９の取付位置をピストン中心位置から若干排気弁配置側にオフセットした位置に設定しておけば、かかる運転領域でも確実に着火させることができて着火性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を概略的に示す断面説明図。
【図２】本発明の実施形態のキャビティ燃焼室の構造を示す断面説明図。
【図３】本発明の実施形態のピストン冠面の平面説明図。
【図４】本発明の実施形態のキャビティ燃焼室の排気弁配置側稜線位置を説明する断面説明図。
【図５】本発明の実施形態のキャビティ燃焼室の吸気弁配置側稜線位置を説明する断面説明図。
【図６】キャビティ燃焼室幅と燃焼安定性との関係の実験結果を示す線図。
【図７】キャビティ燃焼室の排気弁配置側稜線位置と燃焼安定性の実験結果を示す線図。
【図８】キャビティ燃焼室の円弧状面の曲率半径とタンブル強さとの関係の実験結果を示す線図。
【符号の説明】
１ シリンダブロック
２ ピストン
３ シリンダヘッド
４ 燃焼室
５ 吸気弁
６ 排気弁
７ 吸気ポート
８ 排気ポート
９ 点火プラグ
１０ 燃料噴射弁
１１ 流動制御弁
１２ 流動ガイド手段
１３ キャビティ燃焼室
Ａ 順タンブル流
Ｆ 燃料噴霧
Ｓ・Ｅ1 排気弁配置側稜線
Ｓ・Ｅ2 吸気弁配置側稜線
Ｒ1 小さい側の曲率半径
Ｒ2 大きい側の曲率半径
Claims (9)
- ペントルーフタイプの燃焼室の略中央部分に配置した点火プラグと、吸気弁近傍の燃焼室側部から該燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、順タンブル流と平行な一対の側壁と順タンブル流の流れ方向に円弧状をなす底面とで画成されるキャビティ燃焼室を有するピストンと、を備え、吸気工程で燃焼室内に形成される順タンブル流を前記キャビティ燃焼室によって保存しつつ前記燃料噴射弁から前記キャビティ燃焼室へ向けて圧縮行程中に燃料噴射を行って成層燃焼を行うようにした筒内噴射式火花点火機関において、前記キャビティ燃焼室をピストン冠面の吸気弁配置側から排気弁配置側に亘って形成すると共に、該キャビティ燃焼室の最深部をピストン冠面の中央部に設定し、該最深部から排気弁配置側へ延びる前記底面の曲率半径を前記最深部から吸気弁配置側へ延びる前記底面の曲率半径より小さくし、前記最深部から排気弁配置側へ延びる前記底面と排気弁配置側のピストン冠面をなす斜面との間に稜線が形成されるようにしたことを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。
- キャビティ燃焼室の排気弁配置側の稜線位置を、ピストン位置がクランクアングルにして６０ｄｅｇ〜１２０ｄｅｇＡＴＤＣにて、燃料噴射弁の噴射口高さにおけるピストン中心軸上の点を中心にシリンダボア半径で描いた円弧とピストン冠面とが交差、又は接する位置に設定した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機関。
- キャビティ燃焼室の吸気弁配置側の稜線位置を、成層燃焼時の燃料噴射時期（８０ｄｅｇ〜３０ｄｅｇＢＴＤＣ）に、大気圧下での燃料噴霧角下端線がピストン冠面と交差する位置よりも吸気弁配置側となる位置に設定したことを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内噴射式火花点火機関。
- キャビティ燃焼室を平面視して略長方形とし、順タンブル流の流動方向と直交する方向の開口幅をシリンダボア径の４０％〜８０％に設定したことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の筒内噴射式火花点火機関。
- 吸気ポートに順タンブル流を強化するタンブル強化手段を設けたことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の筒内噴射式火花点火機関。
- タンブル強化手段が、成層燃焼時に吸気ポート断面の略下半部を遮断し、均質燃焼時に開放する部分遮断弁であることを特徴とする請求項５に記載の筒内噴射式火花点火機関。
- 吸気ポートの部分遮断弁の上側に、成層燃焼時に吸気の主流を吸気ポート開口部の燃焼室中心側のほぼ半部に指向させる流動ガイド手段を設けたことを特徴とする請求項６に記載の筒内噴射式火花点火機関。
- 燃料噴射弁はその燃料噴霧角が大気圧下で４０〜８０度に設定され、かつ、該燃料噴射弁を水平方向に対して２０〜４０度の俯角で取付けたことを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の筒内噴射式火花点火機関。
- 点火プラグをピストン中心位置から排気弁配置側にオフセットして設けたことを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の筒内噴射式火花点火機関。
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