JP3763491B2 - 筒内噴射エンジンの燃焼室構造 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料をシリンダ内に直接噴射する筒内噴射エンジンの燃焼室の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの燃費を向上させる手法としては、理論熱効率の向上、ポンピングロスの低減、フリクションの低減などが従来から提唱されている。そのうち理論熱効率の向上やポンピングロスの低減を図るためには、エンジンの圧縮比または膨脹比を上昇させる方法の他に、リーンバーン制御や高ＥＧＲ（exhaust gas recirculation ）燃焼を行うなどの方法があるが、これらの方法を行うために、シリンダ内におけるタンブル、スワール、スキッシュなどのガス流動が利用されている。
【０００３】
このような方式のエンジンの燃焼室内では、一般に混合気を均一に形成することを基本としていたが、一方では燃料の供給方向や噴射時期を調整し、ガス流動との関係で混合気の空燃比を局所的に変えることも意図的に行われていた。すなわち、局所的に空燃比をリッチにし、あるいは局所的な部分にだけ混合気を形成することなどによりトータルとしてリーンな空燃比で燃焼させる成層燃焼方式などが提案されていた。
【０００４】
しかしながら、従来の燃料の供給方法では、このような混合気形成の態様は十分なものではなく、混合気形成の自由度の大幅な向上が望まれていた。そこで、その対策としてシリンダ内に燃料を直接噴射する筒内噴射エンジンが種々提案させている。
【０００５】
例えば、特開平５−１５４４号公報では、吸気バルブ回りの一部にマスク壁を設け、強制的に逆タンブル流を発生させ、吸気ポートの下側に設けられた噴射手段から噴射される燃料をガス流動に乗せてシリンダ中央の上部の点火プラグ方向に導くようにした構成例が示されている。
【０００６】
また、特開平６−１４６８８６号公報では、噴射手段を、上記特開平５−１５４４号公報の技術と同様に吸気ポートの下側位置に取り付け、吸気ポートの断面形状をその一方側半分が拡幅された構成としている。これにより、吸気流の中心を偏心させて逆タンブル流の生成を促進し、更にピストンキャビティにて噴霧燃料の流れを点火プラグ方向に導くようにしている。
【０００７】
更に、特開平６−４２３５２号公報では、噴射手段を燃焼室の中心部で下方に向けて取り付け、点火プラグを吸気ポートの間から突出させて着火を行うようにした構成が示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平５−１５４４号公報に開示された筒内噴射式内燃機関では、マスク壁により強制的に逆タンブル流を発生させるようにしているので、高速高負荷領域での吸入抵抗が過大となるおそれがある。これにより、吸入空気量の不十分な状態が生じ出力性能に影響が出るおそれがある。
【０００９】
次に、特開平６−１４６８８６号公報に技術では、上述のように吸気ポートの断面形状の調整による逆タンブル流の生成を行い、ピストン上面の湾曲部によりこの逆タンブル流の生成を促進するようにしている。しかし、湾曲部における噴霧燃料の動きは、生成された逆タンブル流の動きのみであり、また、その湾曲部内のみが燃焼室空間を形成する構成をとっているので圧縮比が過剰に高くなるおそれがある。
【００１０】
次に、特開平６−４２３５２号公報の内燃機関の燃焼室構造では、燃料噴射弁はシリンダのほぼ中央で真下に向けて設置されているが、点火プラグの着火部分は、噴射手段の近傍に配置されている。従って、ピストンの上面に当って反射した噴霧に対して点火するよりも噴霧の後端側に着火することを主眼としている。このため、低噴射領域では良好な成層燃焼を得ることができるが、噴射量が増大していく状況では、スモークの発生を抑制することが困難となる。また、ピストン上面での反射を利用して着火を行う場合には、点火プラグの位置からして広範囲での安定着火は困難である。
【００１１】
本発明は、上記種々の従来技術における課題を解決するためになされたものであり、その目的はエンジンの様々の動作状態においてピストン上面での噴霧燃料の反射を利用して常に良好な成層燃焼を確保することのできる簡単な構成の筒内噴射エンジンの燃焼室構造を提供することにある。
【００２１】
【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に記載の発明は、ペントルーフ型燃焼室及び所定のガス流動の発生可能な状態で各々隣接された各２個の吸気手段及び排気手段を有するシリンダヘッドと、ペントルーフ型燃焼室形状に対応した凸形状を基本形状とする上面部を有するピストンと、を備える筒内噴射エンジンの燃焼室構造において、ペントルーフ型燃焼室の頂上ほぼ中央位置から燃料を下方に向けて噴射するように設置された噴射手段と、２個の吸気手段の間の位置で噴射された燃料が着火部に直接かからない位置に設置された点火プラグと、ピストンの上面部の噴射手段の下方位置に設けられ、他の部分より高さの高いリング状の頂上部及びその内側に設けられた所定の形状の凹部を有するカルデラ状のピストンキャビティと、を含み、ピストンキャビティの凹部の形状は、噴射手段の中心軸上の噴射手段より上方位置を中心とする大きな曲率半径の球面形状を有する中央の底部領域とリング状頂上部へ所定角度で立上がる縁部立上がり領域とからなる船底形断面形状とされたことを特徴とする。
【００２２】
このような構成、すなわち、上記ピストンキャビティの凹部の形状を、中央の底部領域では、噴射手段の中心軸上の該噴射手段より上方位置を中心とする大きな曲率半径の球面形状とし、縁部立上がり領域をリング状頂上部へ所定角度で立ち上る急峻な縁部領域とし、全体として船底形断面形状を成す構成とすることによって、燃料の反射、這い回り、跳ね上りによる均一かつスムースな拡散を図ることができ、これに加えて縁部立上がり領域の存在により、底部領域から這い回りにより流れてきた噴霧の勢いが抑制され、上方へ拡散する際の方向及び広がりがコントロールされる。これにより、ピストンキャビティにおける噴霧燃料の拡散をより良好な方向に調整することができ、シリンダ周壁方向への広がりを抑制することができる。
【００２３】
請求項２に記載の発明は、ペントルーフ型燃焼室及び所定のガス流動の発生可能な状態で各々隣接された各２個の吸気手段及び排気手段を有するシリンダヘッドと、ペントルーフ型燃焼室形状に対応した凸形状を基本形状とする上面部を有するピストンと、を備える筒内噴射エンジンの燃焼室構造において、ペントルーフ型燃焼室の頂上ほぼ中央位置から燃料を下方に向けて噴射するように設置された噴射手段と、２個の吸気手段の間の位置で噴射された燃料が着火部に直接かからない位置に設置された点火プラグと、ピストンの上面部の噴射手段の下方位置に設けられ、他の部分より高さの高いリング状の頂上部及びその内側に設けられた所定の形状の凹部を有するカルデラ状のピストンキャビティと、を含み、ピストンキャビティの凹部の形状は、縦断面が略楕円形の円弧状になるように構成されたことを特徴とする。
【００２４】
この発明によれば、ピストンキャビティの凹部を断面楕円形状として凹部の表面の形状をなだらかな曲面としたので、シリンダ内に生じているガス流動を圧縮行程において過度に乱すことがなく、ピストンの上死点付近での適度なガス流動の乱れを形成し燃焼改善に貢献することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本実施の形態を説明するための前提となる第１参考例を示しており、図２はこの第１参考例に用いられるピストンの上面形状を示している。
【００２９】
第１参考例では、ペントルーフ型の燃焼室を有するシリンダヘッドの燃焼室構造を基本構成としており、このペントルーフ型の燃焼室を有するシリンダヘッドは、図１０にその一般的形状が示されている。燃焼室１００の上部は、切妻屋根の外形形状に似た形状を有し、２つの傾斜面が屋根状に対向した基本形状を有している。そして、ピストン１６もこのシリンダヘッドの形状に対応した上部面の構造を有している。また、ペントルーフの２つの傾斜面には、それぞれ吸気バルブ１、排気バルブ２が設けられている。
【００３０】
図１及び図２に示した第１参考例の特徴的な構成は、まず、燃料噴射手段であるインジェクタ１２がシリンダーヘッド１４とピストン１６の上面１６ａとの間に形成される燃焼室１００のほぼ中央上部位置から下方に向けて燃料を噴射するように設置されていることである。
【００３１】
また、点火プラグ１８は、図示していない２個の吸気バルブの中間の位置に設置され、着火部１８ａにインジェクタ１２から噴射された燃料が直接かからない位置にセッティングされている。
【００３２】
次に、ピストン１６の上面１６ａの形状は、基本的に、上述のペントルーフ型燃焼室を有するシリンダーヘッド１４に対応する形状を有しているが、加えて図示のようにカルデラ状のピストンキャビティ２０を有している。すなわち、リング状の頂上部２２とその内側に設けられた凹部２４によって構成されている。
【００３３】
更に、第１参考例において特徴的な構成は、このリング状頂上部２２の内側の凹部２４の形状が、インジェクタ１２の中心軸上の所定位置を中心とする単一の曲率半径を有する球面形状とされていることである。このような凹部２４の形状としたことにより、ピストン１６の上面部が基本的にペントルーフ形状に対応した形状を有しているので、リング状頂上部２２の平面形状は真円からやや変位した略楕円形状となっている（図２参照）。また、このリング状頂上部２２の外側部分はシリンダーヘッド１４のペントルーフ型燃焼室に適応するようになだらかに傾斜したすその領域部２６となっている。
【００３４】
更に、第１参考例における特徴的な構成は、インジェクタ１２から噴射される噴霧の形態が中空の円錐形状を成すことである。この中空円錐形状の噴霧形態（図上「Ｆ」）の形成は、例えば噴射の広がり角を４０度〜８０度程度とし、このために噴射角を設定してこれに回転成分を与えつつ噴射することにより容易に形成することができる。具体的には、スワールノズルを用いたホローコーン噴霧により形成することができる。この略中空円錐形状の噴霧は、ピストン１６が所定位置に上昇してきた時点で行われるが、上記噴射角の設定は噴射時のピストン１６の位置において略中空円錐形状の底部のリング状部分がリング状頂上部２２内におさまるように設定される。
【００３５】
なお、第１参考例では、図示していないシリンダ１４に設けられた吸気バルブの構成により燃焼室内には正方向の弱タンブルのガス流動が生じ、タンブル比はおよそ０．５〜２程度とされる。また、ピストンキャビティ２０の開口部径、すなわちリング状頂上部２２の縁部の最大内径は、ボア径に対して３０〜７０％程度のサイズに設定されている。また、ピストン１６の上面部の出張り部分を除いたピストンキャビティ２０の深さは、ボア径の１５％程度に設定される。点火プラグ１８の着火部１８ａの位置は、リング状頂上部２２の内側で燃料の噴霧に直接曝されない位置とされている。
【００３６】
上記構成の燃焼室構造によれば、ピストンキャビティ２０内にほぼ真上から噴霧された中空円錐形状の噴霧燃料は、ピストンキャビティ２０の底部、すなわちリング状頂上部２２の内側に衝突し、略円錐形状が崩れ、反射、這い回り、跳上りなどの諸動作により噴霧燃料は拡散する。この拡散においては、燃料の噴射がほぼ真上からなされ、かつピストンキャビティ２０の底部である凹部２４が単一の曲率半径を有する球面状に形成されているので、全体としては規則性をもって勢いを止めることなく上記のような拡散動作が得られる。また、ピストン１６の上昇動作に伴って、この拡散した噴霧はシリンダーヘッド側に衝突してさらに拡散する。
【００３７】
ここで、燃焼室内には弱タンブル流が発生しているので、拡散した噴霧燃料は点火プラグ１８の着火部１８ａ部分に流れて集まる。その着火部分において着火性の良い最適な燃料が集まってくることとなる。
【００３８】
すなわち、カルデラ形状のピストンキャビティ２０内に噴霧された燃料はこのピストン１６の上面部構造により、シリンダ外周壁部には拡散し難く、ピストンキャビティ２０により形成されたコンパクトな燃焼空間において効率良く跳ね上り、這い回りなどにより効率良く拡散し、さらに弱タンブル流にのって着火部近傍へ集まるものである。
【００３９】
図９は、このような第１参考例の基本的な作用を示す概略説明図であり、図示のようにピストン１６が所定位置（実線で示した位置）まで上昇した時点でインジェクタ１２から略中空円錐形状の燃料噴霧Ｆの噴射生成が行われる。噴霧燃料はカルデラ形状のピストンキャビティ２０内で反射や這い回りなどの種々の動作で拡散する。
【００４０】
そして、矢印３００で示した方向の弱タンブル流にのって、更にピストン１６の上昇（略二点鎖線で示した位置への上昇）により、ピストンキャビティ２０の部分にて形成されたコンパクトな燃焼空間に燃料は集まり、２個の吸気バルブ間に設けられた点火プラグ１８の着火部１８ａ近傍に集合する。
【００４１】
これにより、着火性が向上し、かつ成層燃焼に適した燃料の状態を形成することができる。この結果、火炎伝播が遮られる噴霧燃料のちぎれや局所的なオーバーリーン領域の発生を防ぐことができ、全体としてはリーンな空燃比で適切かつ急速な燃焼を得ることができ、パーシャルバーン発生を防止することができる。なお、カルデラ型のピストンキャビティ２０の影響により、圧縮行程におけるガス流動の過度の乱れが防止され、上死点付近では拡散に寄与する適度な乱れも発生し燃焼改善に寄与することができる。上記種々の作用により、低負荷、中負荷領域で行われる成層燃焼をより良好に行うことができ、その結果として良好な運転性、ＨＣの低減、ＮＯｘの低減さらに燃費の向上も達成される。
【００４２】
更に、噴霧された燃料は、ピストンキャビティ２０の作用によってシリンダ周壁側には拡散しにくいので、直接シリンダ壁に燃料が付着することが回避され、ピストン動作における機能障害の発生も有効に防止される。
【００４３】
次に、図３は第１実施の形態の構成を示しており、図４はこの第１実施の形態に用いられるピストンの上面部の形状を示している。図において、第１参考例と同様の要素には同一の符号を付しその説明を省略する。
【００４４】
本実施の形態において上記第１参考例と異なる特徴的構成は、カルデラ形状に構成されたピストンキャビティ２０の凹部２４の形状にある。すなわち、インジェクタ１２の中心軸上で、かつこのインジェクタ１２より上方位置を中心とする大きな曲率半径の球面形状を有する中央底部領域２０ａとその中央底部領域２０ａの部分からリング状頂上部２２へ立ち上る縁部立上がり領域２０ｂとから構成されている。すなわち、縦断面形状がいわゆる船底型形状となっているものである。
【００４５】
すなわち、この実施の形態のピストンキャビティ２０は、２種類の曲率半径を含む複合的球面あるいは大きな曲率半径の球面と直線的断面形状を有する面とから構成されている。縁部立上がり領域２０ｂの傾斜はピストン１６上面のすそ野部２６の外縁の平らな面部分に対し９０度〜１５０度の傾きに形成される。また、中央底部領域２０ａと縁部立上がり領域２０ｂとの境界部分は滑かな曲面で連続させている。このような船底型の凹部２４としたことにより、図４に示したようにリング状頂上部２２の平面形状は第１参考例の場合に比べより真円に近い形状となっている。
【００４６】
上記構成のピストンキャビティ２０によれば、インジェクタ１２から下方に噴射された略中空円錐形状の噴霧燃料は、まず曲率半径の大きい中央底部領域２０ａで受け止められ、反射、這い回り、跳上りなどによる噴霧燃料の効率的な拡散が生ぜしめる。そして、縁部立上がり領域２０ｂの部分では、より急峻な角度で立ち上る壁部の機能として、上記反射等により拡散した噴霧燃料の勢いがここで抑制され、更にこの縁部領域に沿って拡散される燃料の広がり方向がコントロールされる。従って、ピストン１６の上昇動作及び燃焼室内に生じている弱タンブル流による点火プラグ１８の着火部１８ａ近傍への燃料の流れ作用がより良好なものとなる。
【００４７】
また、この縁部立上がり領域２０ｂの部分では、ピストン１６の上死点付近で生じるピストンキャビティ２０の外周のすそ野部２６からの流れとの衝突は、より上方へ向う方向の下で生じるので、燃料のシリンダ周壁への拡散をより有効に防止することができる。これにより、より良好な成層燃焼が達成される。従って、上記第１参考例と同様の作用効果を得ることができるのに加え、シリンダー壁にガソリンが直接付着することをより有効に防止することが可能となる。
【００４８】
次に、図５は、第２実施の形態に係る燃焼室構造を示しており、図６は図５の実施の形態に用いたピストンの上面部の平面形状を示している。
【００４９】
本実施の形態において特徴的な構成は、ピストンキャビティ２０の凹部２４の断面形状にあり、この縦断面形状が略楕円形状となるように形成していることである。その他の構成は、上述の第１参考例及び第１実施の形態とほぼ同様であり、その作用も同様である。
【００５０】
上記略楕円形状の凹部２４を有するピストンキャビティ２０によれば、上記の第２の実施の形態と同様に直接シリンダー壁にガソリンが付着することをより有効に防止することができ、ピストン動作における機能障害の達成を防止することができる。更に、第２の実施の形態と比較して、より滑かな曲面がとられるので、上述のようにシリンダ周壁部への流れを抑制しつつ燃料のスムースな拡散を図るのが容易である。
【００５１】
次に、図７は、第２参考例に係る燃焼室構造を示しており、図８は図７の第２参考例に用いるピストンの上面部の構成を示している。図において上記第１参考例及び各実施の形態と同様の要素には同一の符号を付しその説明を省略する。
【００５２】
第２参考例において特徴的な構成は、ピストンキャビティ２０の凹部２４の形状をいわゆるトロイダル型としたことにある。すなわち、図示のように凹部２４の中央部に中央頂上部３０を形成し、その中央頂上部３０とリング状頂上部２２との間の領域についてその断面形状が略円弧状となるように形成している。従って、凹部２４のほぼ中心位置に高さの高い中央頂上部３０が存在し、そこからリング状頂上部２２にかけてつながる底面が滑かな曲面となっている。第２参考例においては、リング状頂上部２２に近い縁部立上がり領域２０ｂに他の部分より大きな曲率の面でかつ傾斜の急峻な領域として構成している。
【００５３】
このような中心部が尖状に盛り上ったトロイダル型とすることにより、インジェクタ１２から下方に噴射された噴霧燃料は上記第１参考例及び各実施の形態と同様に反射、這い回り、跳上りなどの動作により拡散するが、その拡散は、尖った中央頂上部３０から周囲のリング状頂上部２２への流れでドーナツ状の燃料の渦輪を形成する。これにより、リング状頂上部２２に近い縁部立上がり領域２０ｂでの噴霧燃料の上昇方向の流れがより円滑になり、燃料が過度にシリンダ周壁に広がることを有効に防止することができる。また、このようにドーナツ状に噴霧燃料を集中させることができるので、全体としてはリーンな空燃比でありながら、かつ適切な着火性の高い成層燃焼を達成することができる。
【００５４】
更に、第２参考例によれば、噴霧された燃料の曲面への接触割合が増加するので、噴霧燃料の流れの制御性を他の実施の形態よりも高くすることができる。
【００５５】
なお、上記各実施の形態では、燃焼室内部で弱タンブルガス流動を生じさせるものを用いたが、ガス流動はこのようなタンブル流に限定されるものではなく、スワールガス流動を生じさせるように構成した燃焼室にも応用することができる。
【００５６】
この場合、下方に噴霧された燃料は各カルデラ形状のピストンキャビティ２０内において反射、這い回り、跳上りなどの拡散動作を行う。また、図示のように各実施の形態におけるピストン上面の形状はなだらかな曲面で形成されているので、スワール流を乱すことがなく、このスワール流によって噴霧燃料がシリンダ周壁側へ拡散することを抑制することができ、また円周方向での混合気の均一化も図ることができる。
【００５７】
このようなスワールガス流動を利用することにより、ピストンキャビティ２０により形成されるコンパクトな燃焼室内においてキャビティ上方に良好な混合気が形成され、上述の第２参考例のように全体としてリーンな空燃比での成層燃焼に適した混合気状態を得ることができる。この実施の形態によるその他の作用効果については上述の各実施の形態と同様でありその説明を省略する。
【００５８】
なお、本発明は上記各実施の形態の構成に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上記各実施の形態ではピストンキャビティ２０のリング状頂上部２２の内側の凹部２４の形状を種々説明したが、上記のような形状に限定されるものではなく、ピストンキャビティ２０により形成されるコンパクトな燃焼領域内で噴霧された燃料をスムースに拡散動作させることのできる形状であれば種々の形状を採用することが可能である。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る筒内噴射エンジンの燃焼室構造によれば、エンジンの燃焼室内における混合気の形成をより適切に行うことができる。すなわち、広い運転条件において、成層燃焼を実施するのに適した混合気の状態を全体としてリーンな空燃比を確保しつつ生成することができる。これにより、排気ミッションの向上、運転性の向上さらには燃費の向上にも貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１参考例の構成を示す概略構成図である。
【図２】第１参考例に用いるピストンの上面構造を示す説明図である。
【図３】第１の実施の形態の構成を示す概略構成図である。
【図４】第１の実施の形態に用いるピストンの上面構造を示す説明図である。
【図５】第２の実施の形態の構成を示す概略構成図である。
【図６】第２の実施の形態に用いるピストンの上面構造を示す説明図である。
【図７】第２参考例の構成を示す概略構成図である。
【図８】第２参考例に用いるピストンの上面構造を示す説明図である。
【図９】第１参考例の基本的作用を示す作用説明図である。
【図１０】ペントルーフ型燃焼室を有するシリンダヘッドの燃焼室構造の一般的構成説明図である。
【符号の説明】
１２ インジェクタ
１４ シリンダーヘッド
１６ ピストン
１８ 点火プラグ
２０ ピストンキャビティ
２２ リング状頂上部
２４ 凹部
３０ 中央頂上部
１００ 燃焼室
Ｆ 略中空円錐形状の噴霧燃料
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料をシリンダ内に直接噴射する筒内噴射エンジンの燃焼室の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの燃費を向上させる手法としては、理論熱効率の向上、ポンピングロスの低減、フリクションの低減などが従来から提唱されている。そのうち理論熱効率の向上やポンピングロスの低減を図るためには、エンジンの圧縮比または膨脹比を上昇させる方法の他に、リーンバーン制御や高ＥＧＲ（exhaust gas recirculation ）燃焼を行うなどの方法があるが、これらの方法を行うために、シリンダ内におけるタンブル、スワール、スキッシュなどのガス流動が利用されている。
【０００３】
このような方式のエンジンの燃焼室内では、一般に混合気を均一に形成することを基本としていたが、一方では燃料の供給方向や噴射時期を調整し、ガス流動との関係で混合気の空燃比を局所的に変えることも意図的に行われていた。すなわち、局所的に空燃比をリッチにし、あるいは局所的な部分にだけ混合気を形成することなどによりトータルとしてリーンな空燃比で燃焼させる成層燃焼方式などが提案されていた。
【０００４】
しかしながら、従来の燃料の供給方法では、このような混合気形成の態様は十分なものではなく、混合気形成の自由度の大幅な向上が望まれていた。そこで、その対策としてシリンダ内に燃料を直接噴射する筒内噴射エンジンが種々提案させている。
【０００５】
例えば、特開平５−１５４４号公報では、吸気バルブ回りの一部にマスク壁を設け、強制的に逆タンブル流を発生させ、吸気ポートの下側に設けられた噴射手段から噴射される燃料をガス流動に乗せてシリンダ中央の上部の点火プラグ方向に導くようにした構成例が示されている。
【０００６】
また、特開平６−１４６８８６号公報では、噴射手段を、上記特開平５−１５４４号公報の技術と同様に吸気ポートの下側位置に取り付け、吸気ポートの断面形状をその一方側半分が拡幅された構成としている。これにより、吸気流の中心を偏心させて逆タンブル流の生成を促進し、更にピストンキャビティにて噴霧燃料の流れを点火プラグ方向に導くようにしている。
【０００７】
更に、特開平６−４２３５２号公報では、噴射手段を燃焼室の中心部で下方に向けて取り付け、点火プラグを吸気ポートの間から突出させて着火を行うようにした構成が示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平５−１５４４号公報に開示された筒内噴射式内燃機関では、マスク壁により強制的に逆タンブル流を発生させるようにしているので、高速高負荷領域での吸入抵抗が過大となるおそれがある。これにより、吸入空気量の不十分な状態が生じ出力性能に影響が出るおそれがある。
【０００９】
次に、特開平６−１４６８８６号公報に技術では、上述のように吸気ポートの断面形状の調整による逆タンブル流の生成を行い、ピストン上面の湾曲部によりこの逆タンブル流の生成を促進するようにしている。しかし、湾曲部における噴霧燃料の動きは、生成された逆タンブル流の動きのみであり、また、その湾曲部内のみが燃焼室空間を形成する構成をとっているので圧縮比が過剰に高くなるおそれがある。
【００１０】
次に、特開平６−４２３５２号公報の内燃機関の燃焼室構造では、燃料噴射弁はシリンダのほぼ中央で真下に向けて設置されているが、点火プラグの着火部分は、噴射手段の近傍に配置されている。従って、ピストンの上面に当って反射した噴霧に対して点火するよりも噴霧の後端側に着火することを主眼としている。このため、低噴射領域では良好な成層燃焼を得ることができるが、噴射量が増大していく状況では、スモークの発生を抑制することが困難となる。また、ピストン上面での反射を利用して着火を行う場合には、点火プラグの位置からして広範囲での安定着火は困難である。
【００１１】
本発明は、上記種々の従来技術における課題を解決するためになされたものであり、その目的はエンジンの様々の動作状態においてピストン上面での噴霧燃料の反射を利用して常に良好な成層燃焼を確保することのできる簡単な構成の筒内噴射エンジンの燃焼室構造を提供することにある。
【００２１】
【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に記載の発明は、ペントルーフ型燃焼室及び所定のガス流動の発生可能な状態で各々隣接された各２個の吸気手段及び排気手段を有するシリンダヘッドと、ペントルーフ型燃焼室形状に対応した凸形状を基本形状とする上面部を有するピストンと、を備える筒内噴射エンジンの燃焼室構造において、ペントルーフ型燃焼室の頂上ほぼ中央位置から燃料を下方に向けて噴射するように設置された噴射手段と、２個の吸気手段の間の位置で噴射された燃料が着火部に直接かからない位置に設置された点火プラグと、ピストンの上面部の噴射手段の下方位置に設けられ、他の部分より高さの高いリング状の頂上部及びその内側に設けられた所定の形状の凹部を有するカルデラ状のピストンキャビティと、を含み、ピストンキャビティの凹部の形状は、噴射手段の中心軸上の噴射手段より上方位置を中心とする大きな曲率半径の球面形状を有する中央の底部領域とリング状頂上部へ所定角度で立上がる縁部立上がり領域とからなる船底形断面形状とされたことを特徴とする。
【００２２】
このような構成、すなわち、上記ピストンキャビティの凹部の形状を、中央の底部領域では、噴射手段の中心軸上の該噴射手段より上方位置を中心とする大きな曲率半径の球面形状とし、縁部立上がり領域をリング状頂上部へ所定角度で立ち上る急峻な縁部領域とし、全体として船底形断面形状を成す構成とすることによって、燃料の反射、這い回り、跳ね上りによる均一かつスムースな拡散を図ることができ、これに加えて縁部立上がり領域の存在により、底部領域から這い回りにより流れてきた噴霧の勢いが抑制され、上方へ拡散する際の方向及び広がりがコントロールされる。これにより、ピストンキャビティにおける噴霧燃料の拡散をより良好な方向に調整することができ、シリンダ周壁方向への広がりを抑制することができる。
【００２３】
請求項２に記載の発明は、ペントルーフ型燃焼室及び所定のガス流動の発生可能な状態で各々隣接された各２個の吸気手段及び排気手段を有するシリンダヘッドと、ペントルーフ型燃焼室形状に対応した凸形状を基本形状とする上面部を有するピストンと、を備える筒内噴射エンジンの燃焼室構造において、ペントルーフ型燃焼室の頂上ほぼ中央位置から燃料を下方に向けて噴射するように設置された噴射手段と、２個の吸気手段の間の位置で噴射された燃料が着火部に直接かからない位置に設置された点火プラグと、ピストンの上面部の噴射手段の下方位置に設けられ、他の部分より高さの高いリング状の頂上部及びその内側に設けられた所定の形状の凹部を有するカルデラ状のピストンキャビティと、を含み、ピストンキャビティの凹部の形状は、縦断面が略楕円形の円弧状になるように構成されたことを特徴とする。
【００２４】
この発明によれば、ピストンキャビティの凹部を断面楕円形状として凹部の表面の形状をなだらかな曲面としたので、シリンダ内に生じているガス流動を圧縮行程において過度に乱すことがなく、ピストンの上死点付近での適度なガス流動の乱れを形成し燃焼改善に貢献することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本実施の形態を説明するための前提となる第１参考例を示しており、図２はこの第１参考例に用いられるピストンの上面形状を示している。
【００２９】
第１参考例では、ペントルーフ型の燃焼室を有するシリンダヘッドの燃焼室構造を基本構成としており、このペントルーフ型の燃焼室を有するシリンダヘッドは、図１０にその一般的形状が示されている。燃焼室１００の上部は、切妻屋根の外形形状に似た形状を有し、２つの傾斜面が屋根状に対向した基本形状を有している。そして、ピストン１６もこのシリンダヘッドの形状に対応した上部面の構造を有している。また、ペントルーフの２つの傾斜面には、それぞれ吸気バルブ１、排気バルブ２が設けられている。
【００３０】
図１及び図２に示した第１参考例の特徴的な構成は、まず、燃料噴射手段であるインジェクタ１２がシリンダーヘッド１４とピストン１６の上面１６ａとの間に形成される燃焼室１００のほぼ中央上部位置から下方に向けて燃料を噴射するように設置されていることである。
【００３１】
また、点火プラグ１８は、図示していない２個の吸気バルブの中間の位置に設置され、着火部１８ａにインジェクタ１２から噴射された燃料が直接かからない位置にセッティングされている。
【００３２】
次に、ピストン１６の上面１６ａの形状は、基本的に、上述のペントルーフ型燃焼室を有するシリンダーヘッド１４に対応する形状を有しているが、加えて図示のようにカルデラ状のピストンキャビティ２０を有している。すなわち、リング状の頂上部２２とその内側に設けられた凹部２４によって構成されている。
【００３３】
更に、第１参考例において特徴的な構成は、このリング状頂上部２２の内側の凹部２４の形状が、インジェクタ１２の中心軸上の所定位置を中心とする単一の曲率半径を有する球面形状とされていることである。このような凹部２４の形状としたことにより、ピストン１６の上面部が基本的にペントルーフ形状に対応した形状を有しているので、リング状頂上部２２の平面形状は真円からやや変位した略楕円形状となっている（図２参照）。また、このリング状頂上部２２の外側部分はシリンダーヘッド１４のペントルーフ型燃焼室に適応するようになだらかに傾斜したすその領域部２６となっている。
【００３４】
更に、第１参考例における特徴的な構成は、インジェクタ１２から噴射される噴霧の形態が中空の円錐形状を成すことである。この中空円錐形状の噴霧形態（図上「Ｆ」）の形成は、例えば噴射の広がり角を４０度〜８０度程度とし、このために噴射角を設定してこれに回転成分を与えつつ噴射することにより容易に形成することができる。具体的には、スワールノズルを用いたホローコーン噴霧により形成することができる。この略中空円錐形状の噴霧は、ピストン１６が所定位置に上昇してきた時点で行われるが、上記噴射角の設定は噴射時のピストン１６の位置において略中空円錐形状の底部のリング状部分がリング状頂上部２２内におさまるように設定される。
【００３５】
なお、第１参考例では、図示していないシリンダ１４に設けられた吸気バルブの構成により燃焼室内には正方向の弱タンブルのガス流動が生じ、タンブル比はおよそ０．５〜２程度とされる。また、ピストンキャビティ２０の開口部径、すなわちリング状頂上部２２の縁部の最大内径は、ボア径に対して３０〜７０％程度のサイズに設定されている。また、ピストン１６の上面部の出張り部分を除いたピストンキャビティ２０の深さは、ボア径の１５％程度に設定される。点火プラグ１８の着火部１８ａの位置は、リング状頂上部２２の内側で燃料の噴霧に直接曝されない位置とされている。
【００３６】
上記構成の燃焼室構造によれば、ピストンキャビティ２０内にほぼ真上から噴霧された中空円錐形状の噴霧燃料は、ピストンキャビティ２０の底部、すなわちリング状頂上部２２の内側に衝突し、略円錐形状が崩れ、反射、這い回り、跳上りなどの諸動作により噴霧燃料は拡散する。この拡散においては、燃料の噴射がほぼ真上からなされ、かつピストンキャビティ２０の底部である凹部２４が単一の曲率半径を有する球面状に形成されているので、全体としては規則性をもって勢いを止めることなく上記のような拡散動作が得られる。また、ピストン１６の上昇動作に伴って、この拡散した噴霧はシリンダーヘッド側に衝突してさらに拡散する。
【００３７】
ここで、燃焼室内には弱タンブル流が発生しているので、拡散した噴霧燃料は点火プラグ１８の着火部１８ａ部分に流れて集まる。その着火部分において着火性の良い最適な燃料が集まってくることとなる。
【００３８】
すなわち、カルデラ形状のピストンキャビティ２０内に噴霧された燃料はこのピストン１６の上面部構造により、シリンダ外周壁部には拡散し難く、ピストンキャビティ２０により形成されたコンパクトな燃焼空間において効率良く跳ね上り、這い回りなどにより効率良く拡散し、さらに弱タンブル流にのって着火部近傍へ集まるものである。
【００３９】
図９は、このような第１参考例の基本的な作用を示す概略説明図であり、図示のようにピストン１６が所定位置（実線で示した位置）まで上昇した時点でインジェクタ１２から略中空円錐形状の燃料噴霧Ｆの噴射生成が行われる。噴霧燃料はカルデラ形状のピストンキャビティ２０内で反射や這い回りなどの種々の動作で拡散する。
【００４０】
そして、矢印３００で示した方向の弱タンブル流にのって、更にピストン１６の上昇（略二点鎖線で示した位置への上昇）により、ピストンキャビティ２０の部分にて形成されたコンパクトな燃焼空間に燃料は集まり、２個の吸気バルブ間に設けられた点火プラグ１８の着火部１８ａ近傍に集合する。
【００４１】
これにより、着火性が向上し、かつ成層燃焼に適した燃料の状態を形成することができる。この結果、火炎伝播が遮られる噴霧燃料のちぎれや局所的なオーバーリーン領域の発生を防ぐことができ、全体としてはリーンな空燃比で適切かつ急速な燃焼を得ることができ、パーシャルバーン発生を防止することができる。なお、カルデラ型のピストンキャビティ２０の影響により、圧縮行程におけるガス流動の過度の乱れが防止され、上死点付近では拡散に寄与する適度な乱れも発生し燃焼改善に寄与することができる。上記種々の作用により、低負荷、中負荷領域で行われる成層燃焼をより良好に行うことができ、その結果として良好な運転性、ＨＣの低減、ＮＯｘの低減さらに燃費の向上も達成される。
【００４２】
更に、噴霧された燃料は、ピストンキャビティ２０の作用によってシリンダ周壁側には拡散しにくいので、直接シリンダ壁に燃料が付着することが回避され、ピストン動作における機能障害の発生も有効に防止される。
【００４３】
次に、図３は第１実施の形態の構成を示しており、図４はこの第１実施の形態に用いられるピストンの上面部の形状を示している。図において、第１参考例と同様の要素には同一の符号を付しその説明を省略する。
【００４４】
本実施の形態において上記第１参考例と異なる特徴的構成は、カルデラ形状に構成されたピストンキャビティ２０の凹部２４の形状にある。すなわち、インジェクタ１２の中心軸上で、かつこのインジェクタ１２より上方位置を中心とする大きな曲率半径の球面形状を有する中央底部領域２０ａとその中央底部領域２０ａの部分からリング状頂上部２２へ立ち上る縁部立上がり領域２０ｂとから構成されている。すなわち、縦断面形状がいわゆる船底型形状となっているものである。
【００４５】
すなわち、この実施の形態のピストンキャビティ２０は、２種類の曲率半径を含む複合的球面あるいは大きな曲率半径の球面と直線的断面形状を有する面とから構成されている。縁部立上がり領域２０ｂの傾斜はピストン１６上面のすそ野部２６の外縁の平らな面部分に対し９０度〜１５０度の傾きに形成される。また、中央底部領域２０ａと縁部立上がり領域２０ｂとの境界部分は滑かな曲面で連続させている。このような船底型の凹部２４としたことにより、図４に示したようにリング状頂上部２２の平面形状は第１参考例の場合に比べより真円に近い形状となっている。
【００４６】
上記構成のピストンキャビティ２０によれば、インジェクタ１２から下方に噴射された略中空円錐形状の噴霧燃料は、まず曲率半径の大きい中央底部領域２０ａで受け止められ、反射、這い回り、跳上りなどによる噴霧燃料の効率的な拡散が生ぜしめる。そして、縁部立上がり領域２０ｂの部分では、より急峻な角度で立ち上る壁部の機能として、上記反射等により拡散した噴霧燃料の勢いがここで抑制され、更にこの縁部領域に沿って拡散される燃料の広がり方向がコントロールされる。従って、ピストン１６の上昇動作及び燃焼室内に生じている弱タンブル流による点火プラグ１８の着火部１８ａ近傍への燃料の流れ作用がより良好なものとなる。
【００４７】
また、この縁部立上がり領域２０ｂの部分では、ピストン１６の上死点付近で生じるピストンキャビティ２０の外周のすそ野部２６からの流れとの衝突は、より上方へ向う方向の下で生じるので、燃料のシリンダ周壁への拡散をより有効に防止することができる。これにより、より良好な成層燃焼が達成される。従って、上記第１参考例と同様の作用効果を得ることができるのに加え、シリンダー壁にガソリンが直接付着することをより有効に防止することが可能となる。
【００４８】
次に、図５は、第２実施の形態に係る燃焼室構造を示しており、図６は図５の実施の形態に用いたピストンの上面部の平面形状を示している。
【００４９】
本実施の形態において特徴的な構成は、ピストンキャビティ２０の凹部２４の断面形状にあり、この縦断面形状が略楕円形状となるように形成していることである。その他の構成は、上述の第１参考例及び第１実施の形態とほぼ同様であり、その作用も同様である。
【００５０】
上記略楕円形状の凹部２４を有するピストンキャビティ２０によれば、上記の第２の実施の形態と同様に直接シリンダー壁にガソリンが付着することをより有効に防止することができ、ピストン動作における機能障害の達成を防止することができる。更に、第２の実施の形態と比較して、より滑かな曲面がとられるので、上述のようにシリンダ周壁部への流れを抑制しつつ燃料のスムースな拡散を図るのが容易である。
【００５１】
次に、図７は、第２参考例に係る燃焼室構造を示しており、図８は図７の第２参考例に用いるピストンの上面部の構成を示している。図において上記第１参考例及び各実施の形態と同様の要素には同一の符号を付しその説明を省略する。
【００５２】
第２参考例において特徴的な構成は、ピストンキャビティ２０の凹部２４の形状をいわゆるトロイダル型としたことにある。すなわち、図示のように凹部２４の中央部に中央頂上部３０を形成し、その中央頂上部３０とリング状頂上部２２との間の領域についてその断面形状が略円弧状となるように形成している。従って、凹部２４のほぼ中心位置に高さの高い中央頂上部３０が存在し、そこからリング状頂上部２２にかけてつながる底面が滑かな曲面となっている。第２参考例においては、リング状頂上部２２に近い縁部立上がり領域２０ｂに他の部分より大きな曲率の面でかつ傾斜の急峻な領域として構成している。
【００５３】
このような中心部が尖状に盛り上ったトロイダル型とすることにより、インジェクタ１２から下方に噴射された噴霧燃料は上記第１参考例及び各実施の形態と同様に反射、這い回り、跳上りなどの動作により拡散するが、その拡散は、尖った中央頂上部３０から周囲のリング状頂上部２２への流れでドーナツ状の燃料の渦輪を形成する。これにより、リング状頂上部２２に近い縁部立上がり領域２０ｂでの噴霧燃料の上昇方向の流れがより円滑になり、燃料が過度にシリンダ周壁に広がることを有効に防止することができる。また、このようにドーナツ状に噴霧燃料を集中させることができるので、全体としてはリーンな空燃比でありながら、かつ適切な着火性の高い成層燃焼を達成することができる。
【００５４】
更に、第２参考例によれば、噴霧された燃料の曲面への接触割合が増加するので、噴霧燃料の流れの制御性を他の実施の形態よりも高くすることができる。
【００５５】
なお、上記各実施の形態では、燃焼室内部で弱タンブルガス流動を生じさせるものを用いたが、ガス流動はこのようなタンブル流に限定されるものではなく、スワールガス流動を生じさせるように構成した燃焼室にも応用することができる。
【００５６】
この場合、下方に噴霧された燃料は各カルデラ形状のピストンキャビティ２０内において反射、這い回り、跳上りなどの拡散動作を行う。また、図示のように各実施の形態におけるピストン上面の形状はなだらかな曲面で形成されているので、スワール流を乱すことがなく、このスワール流によって噴霧燃料がシリンダ周壁側へ拡散することを抑制することができ、また円周方向での混合気の均一化も図ることができる。
【００５７】
このようなスワールガス流動を利用することにより、ピストンキャビティ２０により形成されるコンパクトな燃焼室内においてキャビティ上方に良好な混合気が形成され、上述の第２参考例のように全体としてリーンな空燃比での成層燃焼に適した混合気状態を得ることができる。この実施の形態によるその他の作用効果については上述の各実施の形態と同様でありその説明を省略する。
【００５８】
なお、本発明は上記各実施の形態の構成に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上記各実施の形態ではピストンキャビティ２０のリング状頂上部２２の内側の凹部２４の形状を種々説明したが、上記のような形状に限定されるものではなく、ピストンキャビティ２０により形成されるコンパクトな燃焼領域内で噴霧された燃料をスムースに拡散動作させることのできる形状であれば種々の形状を採用することが可能である。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る筒内噴射エンジンの燃焼室構造によれば、エンジンの燃焼室内における混合気の形成をより適切に行うことができる。すなわち、広い運転条件において、成層燃焼を実施するのに適した混合気の状態を全体としてリーンな空燃比を確保しつつ生成することができる。これにより、排気ミッションの向上、運転性の向上さらには燃費の向上にも貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１参考例の構成を示す概略構成図である。
【図２】第１参考例に用いるピストンの上面構造を示す説明図である。
【図３】第１の実施の形態の構成を示す概略構成図である。
【図４】第１の実施の形態に用いるピストンの上面構造を示す説明図である。
【図５】第２の実施の形態の構成を示す概略構成図である。
【図６】第２の実施の形態に用いるピストンの上面構造を示す説明図である。
【図７】第２参考例の構成を示す概略構成図である。
【図８】第２参考例に用いるピストンの上面構造を示す説明図である。
【図９】第１参考例の基本的作用を示す作用説明図である。
【図１０】ペントルーフ型燃焼室を有するシリンダヘッドの燃焼室構造の一般的構成説明図である。
【符号の説明】
１２ インジェクタ
１４ シリンダーヘッド
１６ ピストン
１８ 点火プラグ
２０ ピストンキャビティ
２２ リング状頂上部
２４ 凹部
３０ 中央頂上部
１００ 燃焼室
Ｆ 略中空円錐形状の噴霧燃料
Claims (2)
- ペントルーフ型燃焼室及び所定のガス流動の発生可能な状態で各々隣接された各２個の吸気手段及び排気手段を有するシリンダヘッドと、
前記ペントルーフ型燃焼室形状に対応した凸形状を基本形状とする上面部を有するピストンと、を備える筒内噴射エンジンの燃焼室構造において、
前記ペントルーフ型燃焼室の頂上ほぼ中央位置から燃料を下方に向けて噴射するように設置された噴射手段と、
前記２個の吸気手段の間の位置で前記噴射された燃料が着火部に直接かからない位置に設置された点火プラグと、
前記ピストンの上面部の前記噴射手段の下方位置に設けられ、他の部分より高さの高いリング状の頂上部及びその内側に設けられた所定の形状の凹部を有するカルデラ状のピストンキャビティと、を含み、
前記ピストンキャビティの凹部の形状は、
前記噴射手段の中心軸上の該噴射手段より上方位置を中心とする大きな曲率半径の球面形状を有する中央の底部領域と前記リング状頂上部へ所定角度で立上がる縁部立上がり領域とからなる船底形断面形状とされたことを特徴とする筒内噴射エンジンの燃焼室構造。 - ペントルーフ型燃焼室及び所定のガス流動の発生可能な状態で各々隣接された各２個の吸気手段及び排気手段を有するシリンダヘッドと、
前記ペントルーフ型燃焼室形状に対応した凸形状を基本形状とする上面部を有するピストンと、を備える筒内噴射エンジンの燃焼室構造において、
前記ペントルーフ型燃焼室の頂上ほぼ中央位置から燃料を下方に向けて噴射するように設置された噴射手段と、
前記２個の吸気手段の間の位置で前記噴射された燃料が着火部に直接かからない位置に設置された点火プラグと、
前記ピストンの上面部の前記噴射手段の下方位置に設けられ、他の部分より高さの高いリング状の頂上部及びその内側に設けられた所定の形状の凹部を有するカルデラ状のピストンキャビティと、を含み、
前記ピストンキャビティの凹部の形状は、
縦断面が略楕円形の円弧状になるように構成されたことを特徴とする筒内噴射エンジンの燃焼室構造。
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