JP3941258B2 - 筒内直接噴射式内燃機関 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内直接噴射式内燃機関に関し、特にタンブル流を利用して噴霧燃料を点火プラグに集める筒内直接噴射式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の筒内直噴式内燃機関としては、図８（ａ）または（ｂ）に示すようなものが知られている。ここで図８（ａ）は順タンブル流を形成する型式のもの、図８（ｂ）は逆タンブル流を形成する型式のものを示している。これらの図において、２１はシリンダブロックであり、シリンダブロック２１内にはピストンリングが装着されたピストン２２が摺動自在に嵌挿されている。シリンダブロック２１の上部にはシリンダヘッド２３が取り付けられており、シリンダブロック２１の内壁、ピストン２２の冠面、およびシリンダヘッド２３の下面により、燃焼室２４が画成される。
【０００３】
シリンダヘッド２３には、その概略中央部に点火プラグ（点火栓）２５が取り付けられ、点火プラグ２５の外側の位置には、吸気弁２６ａにより燃焼室２４に選択的に連通される吸気ポート２６および排気弁２７ａにより燃焼室２４に選択的に連通される排気ポート２７が配置されている。シリンダヘッド２３の吸気ポート２６が配置された位置のさらに外側には、燃焼室２４内に燃料を直接的に噴射する燃料噴射弁２８が取り付けられている。
【０００４】
シリンダブロック２１の下部には、図示は省略しているが、クランクケースが配置され、クランクケース内にはピストン２２にコネクティングロッドを介して連結されたクランクシャフトが収容されている。ピストン２２の冠面の一部（燃料噴射弁２８側）には凹部２２ａが形成されている。この凹部２２ａの表面形状は、球面または円筒面を呈するように形成されている。
【０００５】
図８（ａ）に示す順タンブル流を形成する構成では、吸気ポート２６からの吸気はピストン２２の冠面、燃料噴射弁２８、点火プラグ２５の順に流動する順タンブル流２９を形成し、図８（ｂ）に示す逆タンブル流を形成する構成では、吸気ポート２６からの吸気は燃料噴射弁２８、シリンダ２１の内壁、ピストン２２の冠面、点火プラグ２５の順に流動する逆タンブル流３０を形成する。
【０００６】
このような構成を採用することにより、吸気行程の最終段階における順タンブルまたは逆タンブル作用によって、吸気ポート２６からの吸気がそれぞれの方向に流れて点火プラグ２５の近傍に至るように略Ｕ字状に流動するとともに、圧縮行程で燃料噴射弁２８から噴射された噴霧が順タンブル流２９または逆タンブル流３０に乗って流動し、燃料噴霧（可燃混合気）が順次、点火プラグ２５の近傍に誘導され、成層希薄燃焼が実現される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした従来の筒内直接噴射式内燃機関では、吸気ポートの配置とピストンの冠面の凹部により順タンブル流または逆タンブル流が形成されるが、圧縮工程においてピストンが上昇するに伴いタンブル流が横転し崩壊する場合がある。すなわち、タンブル流の回転軸は気筒列方向に沿っているのが理想的であるが、圧縮行程においてピストンが上昇するに伴い当該回転軸が気筒列方向に対して傾斜してしまい、このため、点火プラグ廻りに誘導できる噴射燃料は少量となって燃料の成層化向上効果が小さくなる可能性が高い。
【０００８】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、着火性および燃料の成層化による燃費性能に優れた筒内直接噴射式内燃機関を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、請求項１記載の筒内直接噴射式内燃機関は、燃焼室の吸気口側に設けられた燃料噴射弁により前記燃焼室内へ直接燃料を噴射する筒内直接噴射式内燃機関において、ピストンの冠面であって点火プラグに対応する部分の気筒列方向の両側に、前記吸気口からの吸気により前記燃焼室内に形成されるタンブル流に沿うように互いに対向する一対の吸気誘導壁を立設し、前記吸気誘導壁は前記ピストンの冠面に形成されたキャビティの底面に突出するように形成された一対のリブの互いに対向する側面により構成されており、前記キャビティの底面は、前記気筒列方向に概略沿う方向に中心軸を有する円筒面であり、前記キャビティの底面の一部は平面となっていることを特徴とする。
【００１０】
本発明の筒内直接噴射式内燃機関では、吸気行程において吸気口からの吸気は燃焼室内でタンブル流となり、圧縮工程においてタンブル流に対して燃料噴射弁により燃料を噴射する。このときピストンが上死点に近づいても、ピストン冠面に立設された吸気誘導壁によってタンブル流は案内・誘導されるので、タンブル流の回転軸は気筒列方向に沿った状態を保つようになる。すなわち、タンブル流の横転・崩壊が抑制され、これにより、噴射燃料を点火プラグの近傍に確実に誘導することができる。
【００１１】
したがって、成層希薄燃焼時において、噴射燃料を点火プラグの近傍に誘導することができるので着火性が向上するとともに、燃料の成層化が達成できるので内燃機関の燃費を向上することができる。
【００１２】
また、この請求項１記載の筒内直接噴射式内燃機関によると、キャビティによりタンブル流の形成が促進されるとともに、リブの互いに対向する側面（内側面）により構成される吸気誘導壁により点火プラグに対応する部分近傍に形成されるタンブル流の横転・崩壊が抑制される。また、リブの互いに対向しない側面（外側面）により、その外側に形成されるタンブル流の横転も防止されるから、リブ内側のタンブル流の横転・崩壊をさらに抑制することができる。さらに、キャビティの底面の一部を平面としたので、順タンブル流の形成促進のためのキャビティの形成に伴うピストンの冠面部分の肉厚の増大を抑制することができる。
【００１３】
（２）請求項２記載の筒内直接噴射式内燃機関は、請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関において、前記キャビティの前記気筒列方向の幅を、前記吸気口の最も離間した２点間の寸法と概略同一としたことを特徴とする。
【００１４】
この請求項２記載の筒内直接噴射式内燃機関によると、キャビティの気筒列方向の幅を吸気口の最も離間した２点間の寸法と概略同一としたので、吸気口から吸入された吸気流の全体がキャビティによって案内・誘導され、タンブル流の形成がより円滑になされるようになる。
【００１５】
（３）上記目的を達成するために、請求項３記載の筒内直接噴射式内燃機関は、燃焼室の吸気口側に設けられた燃料噴射弁により前記燃焼室内へ直接燃料を噴射する筒内直接噴射式内燃機関において、ピストンの冠面であって点火プラグに対応する部分の気筒列方向の両側に、前記吸気口からの吸気により前記燃焼室内に形成されるタンブル流に沿うように互いに対向する一対の吸気誘導壁を立設し、前記吸気誘導壁は前記ピストンの冠面に形成された第１キャビティの底面の一部に形成された第２キャビティの気筒列方向に対向する側面により構成されており、前記第１キャビティおよび前記第２キャビティの底面は、それぞれ前記気筒列方向に概略沿う方向に中心軸を有する円筒面であり、前記第２キャビティの底面の一部は、前記第１キャビティの円筒面に接する平面となっていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の筒内直接噴射式内燃機関では、吸気行程において吸気口からの吸気は燃焼室内でタンブル流となり、圧縮工程においてタンブル流に対して燃料噴射弁により燃料を噴射する。このときピストンが上死点に近づいても、ピストン冠面に立設された吸気誘導壁によってタンブル流は案内・誘導されるので、タンブル流の回転軸は気筒列方向に沿った状態を保つようになる。すなわち、タンブル流の横転・崩壊が抑制され、これにより、噴射燃料を点火プラグの近傍に確実に誘導することができる。
【００１７】
したがって、成層希薄燃焼時において、噴射燃料を点火プラグの近傍に誘導することができるので着火性が向上するとともに、燃料の成層化が達成できるので内燃機関の燃費を向上することができる。
【００１８】
また、この請求項３記載の筒内直接噴射式内燃機関によると、第１キャビティによりタンブル流の形成が促進されるとともに、第２キャビティの互いに対向する側面により構成される吸気誘導壁により点火プラグに対応する部分近傍に形成されるタンブル流の横転・崩壊が抑制される。
また、この請求項３記載の筒内直接噴射式内燃機関によると、第１キャビティおよび第２キャビティの底面を円筒面としたので、タンブル流が円滑に形成されるとともに、第２キャビティの互いに対向する側面により構成される吸気誘導壁により点火プラグに対応する部分近傍に形成されるタンブル流の横転・崩壊が抑制される。
さらに、この請求項３記載の筒内直接噴射式内燃機関によると、第２キャビティの底面の一部を上記所定の平面としたので、タンブル流の横転の防止のための第２キャビティの形成に伴うピストンの冠面部分の肉厚の増大を抑制することができる。
【００１９】
（４）請求項４記載の筒内直接噴射式内燃機関は、請求項３に記載の筒内直接噴射式内燃機関において、前記第１キャビティの前記中心軸に対して前記第２キャビティの前記中心軸は前記燃料噴射弁から離間する方向にオフセットされていることを特徴とする。
【００２０】
この請求項４記載の筒内直接噴射式内燃機関によると、成層希薄燃焼時（低負荷時）においては、第２キャビティの互いに対向する側面により構成される吸気誘導壁により点火プラグに対応する部分近傍に形成されるタンブル流の横転・崩壊が抑制される。
【００２１】
一方、均質燃焼時（高負荷時）においては、燃焼室内圧が低い吸気行程で燃料を噴射するため、圧縮工程で燃料を噴射する希薄燃焼時よりも燃料噴射弁による噴射燃料の拡がり角（噴射外径角）が拡大し、ピストン冠面との衝突や干渉により燃焼率が低下する可能性があるが、この発明では、燃料噴射弁の燃料噴射位置から第２キャビティの中心軸が第１キャビティの中心軸よりも燃料噴射弁から離間する方向にオフセットしているので、第２キャビティの底面と燃料噴射弁の燃料噴射位置からの距離が拡大しているとともに、燃料との衝突角度も緩くできるので、燃料噴霧のピストン冠面への付着などが防止され、均質燃焼時の燃焼効率を向上することができる。
【００２２】
（５）請求項５記載の筒内直接噴射式内燃機関は、請求項３又は４に記載の筒内直接噴射式内燃機関において、前記第１キャビティの前記気筒列方向の幅を、前記吸気口の最も離間した２点間の寸法と概略同一としたことを特徴とする。
【００２３】
この請求項５記載の筒内直接噴射式内燃機関によると、第１キャビティの気筒列方向の幅を吸気口の最も離間した２点間の寸法と概略同一としたので、吸気口から吸入された吸気流の全体が第１キャビティによって案内・誘導され、タンブル流の形成がより円滑になされるようになる。
【００２４】
（６）上記目的を達成するために、請求項６記載の筒内直接噴射式内燃機関は、燃焼室の吸気口側に設けられた燃料噴射弁により前記燃焼室内へ直接燃料を噴射する筒内直接噴射式内燃機関において、ピストンの冠面であって点火プラグに対応する部分の気筒列方向の両側に、前記吸気口からの吸気により前記燃焼室内に形成されるタンブル流に沿うように互いに対向する一対の吸気誘導壁を立設し、前記吸気誘導壁は前記ピストンの冠面に形成された第１キャビティの底面の一部に形成された第２キャビティの気筒列方向に対向する側面により構成されており、前記第１キャビティの底面は前記気筒列方向に概略沿う方向に中心軸を有する楕円筒面であり、該楕円筒面は前記燃焼室の吸気側の容量が大きく排気側の容量が小さくなるように、該楕円の長軸がシリンダ軸に対して斜交するように形成され、前記第１キャビティの前記気筒列方向の幅を、前記吸気口の最も離間した２点間の寸法と概略同一としたことを特徴とする。
【００２５】
本発明の筒内直接噴射式内燃機関では、吸気行程において吸気口からの吸気は燃焼室内でタンブル流となり、圧縮工程においてタンブル流に対して燃料噴射弁により燃料を噴射する。このときピストンが上死点に近づいても、ピストン冠面に立設された吸気誘導壁によってタンブル流は案内・誘導されるので、タンブル流の回転軸は気筒列方向に沿った状態を保つようになる。すなわち、タンブル流の横転・崩壊が抑制され、これにより、噴射燃料を点火プラグの近傍に確実に誘導することができる。
【００２６】
したがって、成層希薄燃焼時において、噴射燃料を点火プラグの近傍に誘導することができるので着火性が向上するとともに、燃料の成層化が達成できるので内燃機関の燃費を向上することができる。
【００２７】
また、この請求項６記載の筒内直接噴射式内燃機関によると、第１キャビティによりタンブル流の形成が促進されるとともに、第２キャビティの互いに対向する側面により構成される吸気誘導壁により点火プラグに対応する部分近傍に形成されるタンブル流の横転・崩壊が抑制される。
また、この請求項６記載の筒内直接噴射式内燃機関によると、第１キャビティの底面を楕円筒面としたので、タンブル流が円滑に形成されるとともに、第２キャビティの互いに対向する側面により構成される吸気誘導壁により点火プラグに対応する部分近傍に形成されるタンブル流の横転・崩壊が抑制される。
また、楕円筒面は気筒列方向に概略沿う方向に中心軸を有し、且つ当該楕円の長軸が燃焼室の吸気側の容量が大きく、排気側の容量が小さくなるようにシリンダ軸に斜交しており、このような燃焼室形状とすることによって、高負荷時において吸気側を先に燃焼させることができ、高負荷時のノックの発生が防止される。
さらに、この請求項６記載の筒内直接噴射式内燃機関によると、第１キャビティの気筒列方向の幅を吸気口の最も離間した２点間の寸法と概略同一としたので、吸気口から吸入された吸気流の全体が第１キャビティによって案内・誘導され、タンブル流の形成がより円滑になされるようになる。
【００２８】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、噴射燃料を点火プラグの近傍に誘導できるので、着火性が向上するとともに、燃料が成層化されて内燃機関の燃費が向上する。また、タンブル流の形成促進のためのキャビティの形成に伴うピストンの冠面部分の肉厚の増大を抑制することができる。
【００２９】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の上記効果に加えて、タンブル流の形成が円滑になされる。
【００３０】
請求項３に記載の発明によれば、噴射燃料を点火プラグの近傍に誘導できるので、着火性が向上するとともに、燃料が成層化されて内燃機関の燃費が向上する。また、請求項１に記載のものと比較してピストン冠面の凹凸が少なく、噴射燃料のピストン冠面への付着が防止でき、燃焼効率を向上することができる。また、タンブル流の形成が円滑になされる。さらに、タンブル流の横転の防止のための第２キャビティの形成に伴うピストンの冠面部分の肉厚の増大を抑制することができる。
【００３１】
請求項４に記載の発明によれば、成層希薄燃焼時（低負荷時）においては請求項３の上記効果と同様の効果があり、一方、均質燃焼時（高負荷時）においては燃料噴霧のピストン冠面への付着などが防止され、燃焼効率を向上できる。
【００３２】
請求項５に記載の発明によれば、請求項３又は４の上記効果に加えて、タンブル流の形成が円滑になされる。
【００３３】
請求項６に記載の発明によれば、噴射燃料を点火プラグの近傍に誘導できるので、着火性が向上するとともに、燃料が成層化されて内燃機関の燃費が向上する。また、請求項１に記載のものと比較してピストン冠面の凹凸が少なく、噴射燃料のピストン冠面への付着が防止でき、燃焼効率を向上することができる。また、均質燃焼時（高負荷時）においてはノックの発生が抑止される。さらに、タンブル流の形成が円滑になされる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
第１実施形態
図１は本発明の筒内直接噴射式内燃機関の第１実施形態を示す縦断面図である。図２は本発明の第１実施形態のピストンの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部を破断した正面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【００３７】
図１において、符号１はシリンダブロックであり、シリンダブロック１内にはピストン２が摺動自在に嵌挿されている。シリンダブロック１の上部にはシリンダヘッド３が取り付けられており、シリンダブロック１の内壁、ピストン２の冠面およびシリンダヘッド３の内壁面により、燃焼室４が画成される。
【００３８】
シリンダヘッド３には、その概略中央部に点火プラグ５が取り付けられ、またシリンダヘッド３の点火プラグ５の一側位置には、それぞれ吸気バルブ６ａによって燃焼室４に対して選択的に連通される一対の吸気ポート６，６が気筒列方向（図１の紙面に直交する方向）に設けられるとともに、他側位置には排気バルブ７ａによって燃焼室４に対して選択的に連通される同じく一対の排気ポート７，７が気筒列方向に設けられている。これら吸気ポート６および排気ポート７は、それぞれ吸気口６ｂおよび排気口７ｂによって燃焼室４に連通する。
【００３９】
また、シリンダヘッド３の吸気口６ｂが配置された位置のさらに外側で、一対の吸気ポート６，６の間の部分には、燃焼室４内に燃料を直接的に噴射する高圧燃料噴射弁８が点火プラグ５に対して俯角で取り付けられている。
【００４０】
シリンダブロック１の下部には、図示は省略するが、クランクケースが配置され、このクランクケース内にはピストン２にコネクティングロッドを介して連結されたクランクシャフトが収容されている。
【００４１】
本実施形態のピストン２の冠面の一部には、図２（ａ）〜（ｃ）に示されているように、キャビティ（凹部）２ａが形成されている。このキャビティ２ａの底面（表面）形状は、気筒列方向に概略沿う方向に中心軸を有する円筒面となっており、このキャビティ２ａにより吸気行程において吸気ポート６から燃焼室４内へ吸気を導入したときに、当該燃焼室４内に生じる図１に示すような順タンブル流９の形成が促進される。
【００４２】
特に本実施形態では、ピストン２の冠面に形成されたキャビティ２ａ内には、吸気誘導壁を構成する一対のリブ（突起）１０，１０が一体的に形成されている。これらのリブ１０は、ピストン２の冠面のキャビティ２ａ内であって点火プラグ５に対応する部分の気筒列方向の両側に、吸気口６ｂからの吸気により燃焼室４内に形成される順タンブル流９に沿うように配置されている。
【００４３】
次に作用を説明する。
図１を参照しながら４サイクル内燃機関の場合で説明すると、成層希薄燃焼時において、まずピストン２が上死点よりわずかに前にあるときに吸気バルブ６ａが開かれ、ピストン２が下死点に至るまで吸気行程が行われる。このとき、吸気ポート６から燃焼室４内に導入される吸気は図１に示す順タンブル流９となって、シリンダブロック１の内壁近傍からピストン２の冠面のキャビティ２ａの円筒状底面に沿って流れ、再び吸気口６に戻されたのち点火プラグ５の近傍に至る。
【００４４】
次の圧縮行程においては、ピストン２の位置がクランク角度で上死点前の所定の角度にあるときに、燃料噴射弁８から燃料が噴射されるが、この燃料噴射弁８から噴射された噴射燃料は、上述した燃焼室４内に生じた順タンブル流９、特に燃焼室４内の点火プラグ５に対応する部分近傍に形成される順タンブル流に乗ってシリンダヘッド３の内壁面へ上昇する。
【００４５】
このとき、図３（ａ）に示されているように、ピストン２の冠面のキャビティ２ａ内に形成された一対のリブ１０，１０によって、点火プラグ５に対応する部分近傍に形成される順タンブル流９ａ，９ａが案内・誘導されるので、ピストン２が上昇して上死点に近づいても、該順タンブル流９ａ，９ａが横転（タンブル流の回転軸が気筒列方向に沿った方向に対して傾斜）することが抑制され、シリンダヘッド３の内壁面に上昇した噴射燃料を点火プラグ５の近傍に誘導することができる。
【００４６】
ここで、対比のためリブ１０，１０がない構成のものについて図３（ｂ）を参照して説明すると、ピストン２の上昇前または初期の状態では図中点線で示すようにタンブル流は立っており、ピストン２の上昇に伴い図中実線で示すようにハの字状あるいは逆ハの字状に横転する。これに対して、本実施形態では、ピストン２の冠面の一対のリブ１０，１０によってかかるタンブル流の横転が防止される。なお、図３（ａ）において、リブ１０，１０の外側の順タンブル流９ｂ，９ｂについても、これらのリブ１０，１０の作用によりその横転が防止され、リブ１０，１０の内側の順タンブル流９ａ，９ａの保存性が向上する。
【００４７】
こうして燃料噴射弁８から噴射された燃料は、順タンブル流９に乗って点火プラグ５に誘導され、点火プラグ５の周辺の限られた領域にのみ可燃混合気が形成される。そして、所定の点火時期になると、点火プラグ５が着火されて燃焼行程が行われ、次に排気バルブ７ａが開かれて、排気行程が行われる。
【００４８】
以上のように、本実施形態の筒内直接噴射式内燃機関によれば、順タンブル流の横転が抑制され、噴射された燃料を点火プラグ５の近傍に確実に誘導できるので、着火性が向上するとともに、燃料の成層化が達成できて内燃機関の燃費が向上することになる。
【００４９】
このように、タンブル流の横転・崩壊が防止され、点火プラグ５の近傍に燃料を誘導できるため、点火プラグ５による点火時期を遅角して、ＭＢＴ（Ｍｉｎｉｍｕｍ ｓｐａｒｋ ａｄｖａｎｃｅ ｆｏｒ Ｂｅｓｔ Ｔｏｒｑｕｅ）に近づけることができ、燃焼効率および熱効率を向上することができる。ここで、ＭＢＴとは、回転速度を一定に保持した状態で点火時期を徐々に遅角していくと、出力トルクは徐々に増加し、極大値を示したのちに減少するが、この極大値を示す点をいう。
【００５０】
なお、上記の第１実施形態では、順タンブル流を形成するものについて説明しているが、本発明はこれに限定されることはなく、図８（ｂ）に示したような逆タンブル流を形成するように構成された筒内直接噴射式内燃機関であっても同様に適用することができる。
【００５１】
第２実施形態
図４は本発明の筒内直接噴射式内燃機関の第２実施形態のピストンの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部破断正面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図、（ｄ）はリブ近傍の拡大断面図である。上述した実施形態と実質的に同一の構成部分については同一の番号を付し、異なる部分について説明する。
【００５２】
すなわち、本実施形態の筒内直接噴射式内燃機関では、ピストン２の冠面のキャビティ（凹部）１１は、第１実施形態のキャビティ２ａよりも深く形成されており、底面（表面）形状は基本的に円筒面であるが、その一部１１ａは平面となっている。この平面部１１ａはこの実施形態ではシリンダ軸に対して直交する面と概略一致している。また、キャビティ１１の気筒列方向の互いに対向する側面１１ｂ，１１ｂ間の幅は、一対の吸気口６ｂ，６ｂの最も遠い２点間の寸法Ｔｂと概略一致するように設定されている。リブ１０の形状としては、例えば、図４（ｄ）に示されているような形状とすることができるが、他の形状であってもよい。
【００５３】
この実施形態によると、キャビティ１１の底面の一部１１ａを平面としたので、順タンブル流９の形成促進のためのキャビティ１１の形成に伴うピストン２の冠面部分の肉厚の増大を抑制することができる。また、キャビティ１１の気筒列方向の幅を吸気口６ｂ，６ｂの最も離間した２点間の寸法Ｔｂと概略同一としたので、吸気口６ｂ，６ｂから吸入された吸気流の全体がキャビティ１１によって案内・誘導され、順タンブル流９の形成がより円滑になされるようになるとともに、キャビティ１１の気筒列方向の互いに対向する側面１１ｂ，１１ｂによっても順タンブル流９の横転・崩壊が抑制される。
【００５４】
第３実施形態
図５は本発明の筒内直接噴射式内燃機関の第３実施形態のピストンの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部破断正面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図、（ｄ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。上述した実施形態と実質的に同一の構成部分については同一の番号を付し、異なる部分について説明する。
【００５５】
すなわち、本実施形態の筒内直接噴射式内燃機関では、ピストン２の冠面には第１キャビティ（凹部）１２が形成され、第１キャビティ１２の中央部近傍に気筒列方向に対して直交する方向に第２キャビティ（凹部）１３がさらに形成されている。第１キャビティ１２は、平面部１１ａを有しない点を除いて第２実施形態のキャビティ１１とほぼ同様で、その底面（表面）形状は円筒面となっている。
【００５６】
また、第２キャビティ１３は、その底面（表面）形状は、基本的に円筒面であるが、その一部１３ａは平面となっている。この平面部１３ａはこの実施形態ではシリンダ軸に対して略直交する面となっているとともに、第１キャビティ１２の円筒面にほぼ接するように形成されている。第１キャビティ１２の円筒面の中心軸と第２キャビティ１３の円筒面の中心軸は互いにシリンダ軸方向に寸法ＯＦだけオフセットされている（図５（ｂ）参照）。第１キャビティ１２の円筒面の半径Ｒと第２キャビティ１３の円筒面の半径Ｒ’は互いに同一でも異なっていてもよい。これらの半径Ｒ、Ｒ’はシリンダ１のボア径と概略一致するように設定することができる。
【００５７】
この実施形態によると、吸気口６ｂ，６ｂからの吸気は第１キャビティ１２に沿って流動することにより順タンブル流９の形成が促進されるとともに、第２キャビティ１３の互いに対向する側面１３ｂ，１３ｂにより構成される吸気誘導壁により点火プラグ５に対応する部分近傍に形成される順タンブル流９ａの横転や崩壊が防止され、噴射燃料が点火プラグ５の近傍に確実に誘導される。
【００５８】
また、第２キャビティ１３の底面の一部１３ａを所定の平面としたので、順タンブル流の横転防止のための第２キャビティ１３の形成に伴うピストン５の冠面部分の肉厚の増大を抑制することができる。さらに、上述の第１および第２実施形態と比較して、ピストン冠面の凹凸が少ないので、噴射燃料のピストン冠面への付着などによる燃焼効率の低下を抑制でき、炭化水素（ＨＣ）などの発生が少なくなる。
【００５９】
これにより、上述した順タンブル流９の点火プラグ５を通過するガス流れが円滑になり、着火性および燃料の成層化がさらに向上することになる。
【００６０】
第４実施形態
図６は本発明の筒内直接噴射式内燃機関の第４実施形態のピストンの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部破断正面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。上述した実施形態と実質的に同一の構成部分については同一の番号を付し、異なる部分について説明する。
【００６１】
すなわち、本実施形態の筒内直接噴射式内燃機関では、ピストン２の冠面には、第１キャビティ（凹部）１４が形成され、第１キャビティ１４の中央部近傍に気筒列方向に対して直交する方向であって排気口７ｂ側に第２キャビティ（凹部）１５がさらに形成されている。第１キャビティ１４は第３実施形態の第１キャビティ１２とほぼ同様で、その底面（表面）形状は円筒面となっている。また、第２キャビティ１５の底面（表面）形状も円筒面となっている。
【００６２】
第１キャビティ１４の円筒面の中心軸に対して第２キャビティ１５の円筒面の中心軸は気筒列方向に直交する面内で燃料噴射弁５から離間する方向に寸法ＯＦだけオフセットされている。第１キャビティ１４の円筒面の半径Ｒと第２キャビティ１５の円筒面の半径Ｒ’は同一でも異なっていてもよい。これらの半径Ｒ、Ｒ’はシリンダ１のボア径と概略一致するように設定することができる。
【００６３】
この実施形態によると、成層希薄燃焼時（低負荷時）には、吸気口６ｂ，６ｂからの吸気は第１キャビティ１４に沿って流動することにより順タンブル流の形成が促進されるとともに、第２キャビティ１５の互いに対向する側面１５ａ，１５ａにより構成される吸気誘導壁により点火プラグ５に対応する部分近傍に形成される順タンブル流９ａの横転や崩壊が防止され、噴射燃料が点火プラグ５の近傍に確実に誘導され、着火性および燃料の成層化がさらに向上することになる。
【００６４】
一方、均質燃焼時（高負荷時）には吸気行程において燃料噴射を行うことになるので、圧縮工程で燃料噴射を行う希薄燃焼時よりも燃焼室内圧力が低い。このため、図６（ｂ）中に点線で示すように、均質燃焼時における燃料噴射弁５による噴射燃料の拡がり角（噴射外径角）は、成層希薄燃焼時の燃料噴射による噴射燃料の拡がり角（図６（ｂ）中に実線で示す）よりも拡大し、ピストン２の冠面との衝突や干渉などによるピストン冠面への付着などにより燃焼率が低下する可能性がある。しかし、この実施形態では、第２キャビティ１５の中心軸が第１キャビティ１４の中心軸よりも燃料噴射弁５から離間する方向にオフセットしているので、燃料噴射弁５の燃料噴射位置からの第２キャビティ１５の底面までの距離が第１キャビティ１４の底面までの距離よりも拡大しているとともに、噴射燃料との衝突角度も緩くできるので、燃料噴霧のピストン冠面への付着などが防止され、均質燃焼時の燃焼効率を向上することができる。
【００６５】
これにより、成層希薄燃焼時には上述した順タンブル流９の点火プラグ５を通過するガス流れが円滑になり、着火性および燃料の成層化がさらに向上することになり、均質燃焼時には燃焼効率を高くすることができる。
【００６６】
第５実施形態
図７は本発明の筒内直接噴射式内燃機関の第５実施形態のピストンの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部破断正面図である。上述した実施形態と実質的に同一の構成部分については同一の番号を付し、異なる部分について説明する。
【００６７】
すなわち、本実施形態の筒内直接噴射式内燃機関では、ピストン２の冠面には、第１キャビティ（凹部）１６が形成され、第１キャビティ１６の中央部近傍に気筒列方向に対して直交する方向であって排気口７ｂ側に第２キャビティ１７がさらに形成されている。第１キャビティ１６はその底面（表面）形状は楕円筒面となっている。この第１キャビティ１６の楕円筒面は気筒列方向に概略沿う方向に中心軸を有し、且つ該楕円Ｅの長軸の方向が吸気側に低く排気側に高くなるようにシリンダ軸に対して斜交するように形成されている。従って、燃焼室４は吸気側の容量が大きく排気側の容量が小さくなるように、縦断面がくさび型の形状となっている。楕円Ｅの長軸方向の径はボア径からスキッシュエリアに相当する部分を除いた径Ｃと同一となるように設定されている。
【００６８】
また、第２キャビティ１７の底面（表面）形状は半径Ｒの円筒面となっている。第２キャビティ１７の円筒面の中心軸は気筒列方向に沿うように設定されており、第２キャビティ１７は第１キャビティ１６の排気口７ｂ側に形成されている。第２キャビティ１７の円筒面の半径Ｒは、シリンダ１のボア径と概略一致するように設定することができる。
【００６９】
この実施形態によると、成層希薄燃焼時（低負荷時）には、吸気口６ｂ，６ｂからの吸気は第１キャビティ１６に沿って流動することにより順タンブル流の形成が促進されるとともに、第２キャビティ１７の互いに対向する側面１７ａ，１７ａにより構成される吸気誘導壁により点火プラグ５に対応する部分近傍に形成される順タンブル流９ａの横転や崩壊が防止され、噴射燃料が点火プラグ５の近傍に確実に誘導され、着火性および燃料の成層化がさらに向上することになる。
【００７０】
一方、均質燃焼時（高負荷時）には、上記第４実施形態と同様に、燃料噴射弁５の燃料噴射位置からの第２キャビティ１７の底面までの距離が第１キャビティ１６までの距離よりも拡大しているので、燃料噴霧のピストン冠面への付着などが抑制され、均質燃焼時の燃焼効率を向上することができる。また、その断面がくさび型の燃焼室としたことにより、高負荷時にノックの起こりやすい吸気側を先に燃焼させることが可能となり、耐ノック性が向上するという効果を併せ持つ。
【００７１】
これにより、成層希薄燃焼時には上述した順タンブル流９の点火プラグ５を通過するガス流れが円滑になり、着火性および燃料の成層化がさらに向上することになり、均質燃焼時には燃焼効率を高くできるとともに、耐ノック性を向上することができる。
【００７２】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の筒内直接噴射式内燃機関の第１実施形態を示す縦断面図である。
【図２】本発明の筒内直接噴射式内燃機関の第１実施形態のピストンの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部破断正面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図３】タンブル流の経時変化を説明するための平面図であり、（ａ）は第１実施形態を、（ｂ）は従来技術を示している。
【図４】本発明の筒内直接噴射式内燃機関の第２実施形態のピストンの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部破断正面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図、（ｄ）はリブの拡大断面図である。
【図５】本発明の筒内直接噴射式内燃機関の第３実施形態のピストンの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部破断正面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図、（ｄ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図６】本発明の筒内直接噴射式内燃機関の第４実施形態のピストンの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部破断正面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図７】本発明の筒内直接噴射式内燃機関の第５実施形態のピストンの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部破断正面図である。
【図８】従来の筒内直接噴射式内燃機関を示す縦断面図であり、（ａ）は順タンブル流を形成するものを、（ｂ）は逆タンブル流を形成するものを示している。
【符号の説明】
１…シリンダ
２…ピストン
２ａ，１１…キャビティ
３…シリンダヘッド
４…燃焼室
５…点火プラグ
６…吸気ポート
６ｂ…吸気口
７…排気ポート
８…燃料噴射弁
９…順タンブル流
１０…リブ
１２，１４，１６…第１キャビティ
１３，１５，１７…第２キャビティ
１３ｂ，１５ａ，１７ａ…吸気誘導壁
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内直接噴射式内燃機関に関し、特にタンブル流を利用して噴霧燃料を点火プラグに集める筒内直接噴射式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の筒内直噴式内燃機関としては、図８（ａ）または（ｂ）に示すようなものが知られている。ここで図８（ａ）は順タンブル流を形成する型式のもの、図８（ｂ）は逆タンブル流を形成する型式のものを示している。これらの図において、２１はシリンダブロックであり、シリンダブロック２１内にはピストンリングが装着されたピストン２２が摺動自在に嵌挿されている。シリンダブロック２１の上部にはシリンダヘッド２３が取り付けられており、シリンダブロック２１の内壁、ピストン２２の冠面、およびシリンダヘッド２３の下面により、燃焼室２４が画成される。
【０００３】
シリンダヘッド２３には、その概略中央部に点火プラグ（点火栓）２５が取り付けられ、点火プラグ２５の外側の位置には、吸気弁２６ａにより燃焼室２４に選択的に連通される吸気ポート２６および排気弁２７ａにより燃焼室２４に選択的に連通される排気ポート２７が配置されている。シリンダヘッド２３の吸気ポート２６が配置された位置のさらに外側には、燃焼室２４内に燃料を直接的に噴射する燃料噴射弁２８が取り付けられている。
【０００４】
シリンダブロック２１の下部には、図示は省略しているが、クランクケースが配置され、クランクケース内にはピストン２２にコネクティングロッドを介して連結されたクランクシャフトが収容されている。ピストン２２の冠面の一部（燃料噴射弁２８側）には凹部２２ａが形成されている。この凹部２２ａの表面形状は、球面または円筒面を呈するように形成されている。
【０００５】
図８（ａ）に示す順タンブル流を形成する構成では、吸気ポート２６からの吸気はピストン２２の冠面、燃料噴射弁２８、点火プラグ２５の順に流動する順タンブル流２９を形成し、図８（ｂ）に示す逆タンブル流を形成する構成では、吸気ポート２６からの吸気は燃料噴射弁２８、シリンダ２１の内壁、ピストン２２の冠面、点火プラグ２５の順に流動する逆タンブル流３０を形成する。
【０００６】
このような構成を採用することにより、吸気行程の最終段階における順タンブルまたは逆タンブル作用によって、吸気ポート２６からの吸気がそれぞれの方向に流れて点火プラグ２５の近傍に至るように略Ｕ字状に流動するとともに、圧縮行程で燃料噴射弁２８から噴射された噴霧が順タンブル流２９または逆タンブル流３０に乗って流動し、燃料噴霧（可燃混合気）が順次、点火プラグ２５の近傍に誘導され、成層希薄燃焼が実現される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした従来の筒内直接噴射式内燃機関では、吸気ポートの配置とピストンの冠面の凹部により順タンブル流または逆タンブル流が形成されるが、圧縮工程においてピストンが上昇するに伴いタンブル流が横転し崩壊する場合がある。すなわち、タンブル流の回転軸は気筒列方向に沿っているのが理想的であるが、圧縮行程においてピストンが上昇するに伴い当該回転軸が気筒列方向に対して傾斜してしまい、このため、点火プラグ廻りに誘導できる噴射燃料は少量となって燃料の成層化向上効果が小さくなる可能性が高い。
【０００８】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、着火性および燃料の成層化による燃費性能に優れた筒内直接噴射式内燃機関を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、請求項１記載の筒内直接噴射式内燃機関は、燃焼室の吸気口側に設けられた燃料噴射弁により前記燃焼室内へ直接燃料を噴射する筒内直接噴射式内燃機関において、ピストンの冠面であって点火プラグに対応する部分の気筒列方向の両側に、前記吸気口からの吸気により前記燃焼室内に形成されるタンブル流に沿うように互いに対向する一対の吸気誘導壁を立設し、前記吸気誘導壁は前記ピストンの冠面に形成されたキャビティの底面に突出するように形成された一対のリブの互いに対向する側面により構成されており、前記キャビティの底面は、前記気筒列方向に概略沿う方向に中心軸を有する円筒面であり、前記キャビティの底面の一部は平面となっていることを特徴とする。
【００１０】
本発明の筒内直接噴射式内燃機関では、吸気行程において吸気口からの吸気は燃焼室内でタンブル流となり、圧縮工程においてタンブル流に対して燃料噴射弁により燃料を噴射する。このときピストンが上死点に近づいても、ピストン冠面に立設された吸気誘導壁によってタンブル流は案内・誘導されるので、タンブル流の回転軸は気筒列方向に沿った状態を保つようになる。すなわち、タンブル流の横転・崩壊が抑制され、これにより、噴射燃料を点火プラグの近傍に確実に誘導することができる。
【００１１】
したがって、成層希薄燃焼時において、噴射燃料を点火プラグの近傍に誘導することができるので着火性が向上するとともに、燃料の成層化が達成できるので内燃機関の燃費を向上することができる。
【００１２】
また、この請求項１記載の筒内直接噴射式内燃機関によると、キャビティによりタンブル流の形成が促進されるとともに、リブの互いに対向する側面（内側面）により構成される吸気誘導壁により点火プラグに対応する部分近傍に形成されるタンブル流の横転・崩壊が抑制される。また、リブの互いに対向しない側面（外側面）により、その外側に形成されるタンブル流の横転も防止されるから、リブ内側のタンブル流の横転・崩壊をさらに抑制することができる。さらに、キャビティの底面の一部を平面としたので、順タンブル流の形成促進のためのキャビティの形成に伴うピストンの冠面部分の肉厚の増大を抑制することができる。
【００１３】
（２）請求項２記載の筒内直接噴射式内燃機関は、請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関において、前記キャビティの前記気筒列方向の幅を、前記吸気口の最も離間した２点間の寸法と概略同一としたことを特徴とする。
【００１４】
この請求項２記載の筒内直接噴射式内燃機関によると、キャビティの気筒列方向の幅を吸気口の最も離間した２点間の寸法と概略同一としたので、吸気口から吸入された吸気流の全体がキャビティによって案内・誘導され、タンブル流の形成がより円滑になされるようになる。
【００１５】
（３）上記目的を達成するために、請求項３記載の筒内直接噴射式内燃機関は、燃焼室の吸気口側に設けられた燃料噴射弁により前記燃焼室内へ直接燃料を噴射する筒内直接噴射式内燃機関において、ピストンの冠面であって点火プラグに対応する部分の気筒列方向の両側に、前記吸気口からの吸気により前記燃焼室内に形成されるタンブル流に沿うように互いに対向する一対の吸気誘導壁を立設し、前記吸気誘導壁は前記ピストンの冠面に形成された第１キャビティの底面の一部に形成された第２キャビティの気筒列方向に対向する側面により構成されており、前記第１キャビティおよび前記第２キャビティの底面は、それぞれ前記気筒列方向に概略沿う方向に中心軸を有する円筒面であり、前記第２キャビティの底面の一部は、前記第１キャビティの円筒面に接する平面となっていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の筒内直接噴射式内燃機関では、吸気行程において吸気口からの吸気は燃焼室内でタンブル流となり、圧縮工程においてタンブル流に対して燃料噴射弁により燃料を噴射する。このときピストンが上死点に近づいても、ピストン冠面に立設された吸気誘導壁によってタンブル流は案内・誘導されるので、タンブル流の回転軸は気筒列方向に沿った状態を保つようになる。すなわち、タンブル流の横転・崩壊が抑制され、これにより、噴射燃料を点火プラグの近傍に確実に誘導することができる。
【００１７】
したがって、成層希薄燃焼時において、噴射燃料を点火プラグの近傍に誘導することができるので着火性が向上するとともに、燃料の成層化が達成できるので内燃機関の燃費を向上することができる。
【００１８】
また、この請求項３記載の筒内直接噴射式内燃機関によると、第１キャビティによりタンブル流の形成が促進されるとともに、第２キャビティの互いに対向する側面により構成される吸気誘導壁により点火プラグに対応する部分近傍に形成されるタンブル流の横転・崩壊が抑制される。
また、この請求項３記載の筒内直接噴射式内燃機関によると、第１キャビティおよび第２キャビティの底面を円筒面としたので、タンブル流が円滑に形成されるとともに、第２キャビティの互いに対向する側面により構成される吸気誘導壁により点火プラグに対応する部分近傍に形成されるタンブル流の横転・崩壊が抑制される。
さらに、この請求項３記載の筒内直接噴射式内燃機関によると、第２キャビティの底面の一部を上記所定の平面としたので、タンブル流の横転の防止のための第２キャビティの形成に伴うピストンの冠面部分の肉厚の増大を抑制することができる。
【００１９】
（４）請求項４記載の筒内直接噴射式内燃機関は、請求項３に記載の筒内直接噴射式内燃機関において、前記第１キャビティの前記中心軸に対して前記第２キャビティの前記中心軸は前記燃料噴射弁から離間する方向にオフセットされていることを特徴とする。
【００２０】
この請求項４記載の筒内直接噴射式内燃機関によると、成層希薄燃焼時（低負荷時）においては、第２キャビティの互いに対向する側面により構成される吸気誘導壁により点火プラグに対応する部分近傍に形成されるタンブル流の横転・崩壊が抑制される。
【００２１】
一方、均質燃焼時（高負荷時）においては、燃焼室内圧が低い吸気行程で燃料を噴射するため、圧縮工程で燃料を噴射する希薄燃焼時よりも燃料噴射弁による噴射燃料の拡がり角（噴射外径角）が拡大し、ピストン冠面との衝突や干渉により燃焼率が低下する可能性があるが、この発明では、燃料噴射弁の燃料噴射位置から第２キャビティの中心軸が第１キャビティの中心軸よりも燃料噴射弁から離間する方向にオフセットしているので、第２キャビティの底面と燃料噴射弁の燃料噴射位置からの距離が拡大しているとともに、燃料との衝突角度も緩くできるので、燃料噴霧のピストン冠面への付着などが防止され、均質燃焼時の燃焼効率を向上することができる。
【００２２】
（５）請求項５記載の筒内直接噴射式内燃機関は、請求項３又は４に記載の筒内直接噴射式内燃機関において、前記第１キャビティの前記気筒列方向の幅を、前記吸気口の最も離間した２点間の寸法と概略同一としたことを特徴とする。
【００２３】
この請求項５記載の筒内直接噴射式内燃機関によると、第１キャビティの気筒列方向の幅を吸気口の最も離間した２点間の寸法と概略同一としたので、吸気口から吸入された吸気流の全体が第１キャビティによって案内・誘導され、タンブル流の形成がより円滑になされるようになる。
【００２４】
（６）上記目的を達成するために、請求項６記載の筒内直接噴射式内燃機関は、燃焼室の吸気口側に設けられた燃料噴射弁により前記燃焼室内へ直接燃料を噴射する筒内直接噴射式内燃機関において、ピストンの冠面であって点火プラグに対応する部分の気筒列方向の両側に、前記吸気口からの吸気により前記燃焼室内に形成されるタンブル流に沿うように互いに対向する一対の吸気誘導壁を立設し、前記吸気誘導壁は前記ピストンの冠面に形成された第１キャビティの底面の一部に形成された第２キャビティの気筒列方向に対向する側面により構成されており、前記第１キャビティの底面は前記気筒列方向に概略沿う方向に中心軸を有する楕円筒面であり、該楕円筒面は前記燃焼室の吸気側の容量が大きく排気側の容量が小さくなるように、該楕円の長軸がシリンダ軸に対して斜交するように形成され、前記第１キャビティの前記気筒列方向の幅を、前記吸気口の最も離間した２点間の寸法と概略同一としたことを特徴とする。
【００２５】
本発明の筒内直接噴射式内燃機関では、吸気行程において吸気口からの吸気は燃焼室内でタンブル流となり、圧縮工程においてタンブル流に対して燃料噴射弁により燃料を噴射する。このときピストンが上死点に近づいても、ピストン冠面に立設された吸気誘導壁によってタンブル流は案内・誘導されるので、タンブル流の回転軸は気筒列方向に沿った状態を保つようになる。すなわち、タンブル流の横転・崩壊が抑制され、これにより、噴射燃料を点火プラグの近傍に確実に誘導することができる。
【００２６】
したがって、成層希薄燃焼時において、噴射燃料を点火プラグの近傍に誘導することができるので着火性が向上するとともに、燃料の成層化が達成できるので内燃機関の燃費を向上することができる。
【００２７】
また、この請求項６記載の筒内直接噴射式内燃機関によると、第１キャビティによりタンブル流の形成が促進されるとともに、第２キャビティの互いに対向する側面により構成される吸気誘導壁により点火プラグに対応する部分近傍に形成されるタンブル流の横転・崩壊が抑制される。
また、この請求項６記載の筒内直接噴射式内燃機関によると、第１キャビティの底面を楕円筒面としたので、タンブル流が円滑に形成されるとともに、第２キャビティの互いに対向する側面により構成される吸気誘導壁により点火プラグに対応する部分近傍に形成されるタンブル流の横転・崩壊が抑制される。
また、楕円筒面は気筒列方向に概略沿う方向に中心軸を有し、且つ当該楕円の長軸が燃焼室の吸気側の容量が大きく、排気側の容量が小さくなるようにシリンダ軸に斜交しており、このような燃焼室形状とすることによって、高負荷時において吸気側を先に燃焼させることができ、高負荷時のノックの発生が防止される。
さらに、この請求項６記載の筒内直接噴射式内燃機関によると、第１キャビティの気筒列方向の幅を吸気口の最も離間した２点間の寸法と概略同一としたので、吸気口から吸入された吸気流の全体が第１キャビティによって案内・誘導され、タンブル流の形成がより円滑になされるようになる。
【００２８】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、噴射燃料を点火プラグの近傍に誘導できるので、着火性が向上するとともに、燃料が成層化されて内燃機関の燃費が向上する。また、タンブル流の形成促進のためのキャビティの形成に伴うピストンの冠面部分の肉厚の増大を抑制することができる。
【００２９】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の上記効果に加えて、タンブル流の形成が円滑になされる。
【００３０】
請求項３に記載の発明によれば、噴射燃料を点火プラグの近傍に誘導できるので、着火性が向上するとともに、燃料が成層化されて内燃機関の燃費が向上する。また、請求項１に記載のものと比較してピストン冠面の凹凸が少なく、噴射燃料のピストン冠面への付着が防止でき、燃焼効率を向上することができる。また、タンブル流の形成が円滑になされる。さらに、タンブル流の横転の防止のための第２キャビティの形成に伴うピストンの冠面部分の肉厚の増大を抑制することができる。
【００３１】
請求項４に記載の発明によれば、成層希薄燃焼時（低負荷時）においては請求項３の上記効果と同様の効果があり、一方、均質燃焼時（高負荷時）においては燃料噴霧のピストン冠面への付着などが防止され、燃焼効率を向上できる。
【００３２】
請求項５に記載の発明によれば、請求項３又は４の上記効果に加えて、タンブル流の形成が円滑になされる。
【００３３】
請求項６に記載の発明によれば、噴射燃料を点火プラグの近傍に誘導できるので、着火性が向上するとともに、燃料が成層化されて内燃機関の燃費が向上する。また、請求項１に記載のものと比較してピストン冠面の凹凸が少なく、噴射燃料のピストン冠面への付着が防止でき、燃焼効率を向上することができる。また、均質燃焼時（高負荷時）においてはノックの発生が抑止される。さらに、タンブル流の形成が円滑になされる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
第１実施形態
図１は本発明の筒内直接噴射式内燃機関の第１実施形態を示す縦断面図である。図２は本発明の第１実施形態のピストンの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部を破断した正面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【００３７】
図１において、符号１はシリンダブロックであり、シリンダブロック１内にはピストン２が摺動自在に嵌挿されている。シリンダブロック１の上部にはシリンダヘッド３が取り付けられており、シリンダブロック１の内壁、ピストン２の冠面およびシリンダヘッド３の内壁面により、燃焼室４が画成される。
【００３８】
シリンダヘッド３には、その概略中央部に点火プラグ５が取り付けられ、またシリンダヘッド３の点火プラグ５の一側位置には、それぞれ吸気バルブ６ａによって燃焼室４に対して選択的に連通される一対の吸気ポート６，６が気筒列方向（図１の紙面に直交する方向）に設けられるとともに、他側位置には排気バルブ７ａによって燃焼室４に対して選択的に連通される同じく一対の排気ポート７，７が気筒列方向に設けられている。これら吸気ポート６および排気ポート７は、それぞれ吸気口６ｂおよび排気口７ｂによって燃焼室４に連通する。
【００３９】
また、シリンダヘッド３の吸気口６ｂが配置された位置のさらに外側で、一対の吸気ポート６，６の間の部分には、燃焼室４内に燃料を直接的に噴射する高圧燃料噴射弁８が点火プラグ５に対して俯角で取り付けられている。
【００４０】
シリンダブロック１の下部には、図示は省略するが、クランクケースが配置され、このクランクケース内にはピストン２にコネクティングロッドを介して連結されたクランクシャフトが収容されている。
【００４１】
本実施形態のピストン２の冠面の一部には、図２（ａ）〜（ｃ）に示されているように、キャビティ（凹部）２ａが形成されている。このキャビティ２ａの底面（表面）形状は、気筒列方向に概略沿う方向に中心軸を有する円筒面となっており、このキャビティ２ａにより吸気行程において吸気ポート６から燃焼室４内へ吸気を導入したときに、当該燃焼室４内に生じる図１に示すような順タンブル流９の形成が促進される。
【００４２】
特に本実施形態では、ピストン２の冠面に形成されたキャビティ２ａ内には、吸気誘導壁を構成する一対のリブ（突起）１０，１０が一体的に形成されている。これらのリブ１０は、ピストン２の冠面のキャビティ２ａ内であって点火プラグ５に対応する部分の気筒列方向の両側に、吸気口６ｂからの吸気により燃焼室４内に形成される順タンブル流９に沿うように配置されている。
【００４３】
次に作用を説明する。
図１を参照しながら４サイクル内燃機関の場合で説明すると、成層希薄燃焼時において、まずピストン２が上死点よりわずかに前にあるときに吸気バルブ６ａが開かれ、ピストン２が下死点に至るまで吸気行程が行われる。このとき、吸気ポート６から燃焼室４内に導入される吸気は図１に示す順タンブル流９となって、シリンダブロック１の内壁近傍からピストン２の冠面のキャビティ２ａの円筒状底面に沿って流れ、再び吸気口６に戻されたのち点火プラグ５の近傍に至る。
【００４４】
次の圧縮行程においては、ピストン２の位置がクランク角度で上死点前の所定の角度にあるときに、燃料噴射弁８から燃料が噴射されるが、この燃料噴射弁８から噴射された噴射燃料は、上述した燃焼室４内に生じた順タンブル流９、特に燃焼室４内の点火プラグ５に対応する部分近傍に形成される順タンブル流に乗ってシリンダヘッド３の内壁面へ上昇する。
【００４５】
このとき、図３（ａ）に示されているように、ピストン２の冠面のキャビティ２ａ内に形成された一対のリブ１０，１０によって、点火プラグ５に対応する部分近傍に形成される順タンブル流９ａ，９ａが案内・誘導されるので、ピストン２が上昇して上死点に近づいても、該順タンブル流９ａ，９ａが横転（タンブル流の回転軸が気筒列方向に沿った方向に対して傾斜）することが抑制され、シリンダヘッド３の内壁面に上昇した噴射燃料を点火プラグ５の近傍に誘導することができる。
【００４６】
ここで、対比のためリブ１０，１０がない構成のものについて図３（ｂ）を参照して説明すると、ピストン２の上昇前または初期の状態では図中点線で示すようにタンブル流は立っており、ピストン２の上昇に伴い図中実線で示すようにハの字状あるいは逆ハの字状に横転する。これに対して、本実施形態では、ピストン２の冠面の一対のリブ１０，１０によってかかるタンブル流の横転が防止される。なお、図３（ａ）において、リブ１０，１０の外側の順タンブル流９ｂ，９ｂについても、これらのリブ１０，１０の作用によりその横転が防止され、リブ１０，１０の内側の順タンブル流９ａ，９ａの保存性が向上する。
【００４７】
こうして燃料噴射弁８から噴射された燃料は、順タンブル流９に乗って点火プラグ５に誘導され、点火プラグ５の周辺の限られた領域にのみ可燃混合気が形成される。そして、所定の点火時期になると、点火プラグ５が着火されて燃焼行程が行われ、次に排気バルブ７ａが開かれて、排気行程が行われる。
【００４８】
以上のように、本実施形態の筒内直接噴射式内燃機関によれば、順タンブル流の横転が抑制され、噴射された燃料を点火プラグ５の近傍に確実に誘導できるので、着火性が向上するとともに、燃料の成層化が達成できて内燃機関の燃費が向上することになる。
【００４９】
このように、タンブル流の横転・崩壊が防止され、点火プラグ５の近傍に燃料を誘導できるため、点火プラグ５による点火時期を遅角して、ＭＢＴ（Ｍｉｎｉｍｕｍ ｓｐａｒｋ ａｄｖａｎｃｅ ｆｏｒ Ｂｅｓｔ Ｔｏｒｑｕｅ）に近づけることができ、燃焼効率および熱効率を向上することができる。ここで、ＭＢＴとは、回転速度を一定に保持した状態で点火時期を徐々に遅角していくと、出力トルクは徐々に増加し、極大値を示したのちに減少するが、この極大値を示す点をいう。
【００５０】
なお、上記の第１実施形態では、順タンブル流を形成するものについて説明しているが、本発明はこれに限定されることはなく、図８（ｂ）に示したような逆タンブル流を形成するように構成された筒内直接噴射式内燃機関であっても同様に適用することができる。
【００５１】
第２実施形態
図４は本発明の筒内直接噴射式内燃機関の第２実施形態のピストンの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部破断正面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図、（ｄ）はリブ近傍の拡大断面図である。上述した実施形態と実質的に同一の構成部分については同一の番号を付し、異なる部分について説明する。
【００５２】
すなわち、本実施形態の筒内直接噴射式内燃機関では、ピストン２の冠面のキャビティ（凹部）１１は、第１実施形態のキャビティ２ａよりも深く形成されており、底面（表面）形状は基本的に円筒面であるが、その一部１１ａは平面となっている。この平面部１１ａはこの実施形態ではシリンダ軸に対して直交する面と概略一致している。また、キャビティ１１の気筒列方向の互いに対向する側面１１ｂ，１１ｂ間の幅は、一対の吸気口６ｂ，６ｂの最も遠い２点間の寸法Ｔｂと概略一致するように設定されている。リブ１０の形状としては、例えば、図４（ｄ）に示されているような形状とすることができるが、他の形状であってもよい。
【００５３】
この実施形態によると、キャビティ１１の底面の一部１１ａを平面としたので、順タンブル流９の形成促進のためのキャビティ１１の形成に伴うピストン２の冠面部分の肉厚の増大を抑制することができる。また、キャビティ１１の気筒列方向の幅を吸気口６ｂ，６ｂの最も離間した２点間の寸法Ｔｂと概略同一としたので、吸気口６ｂ，６ｂから吸入された吸気流の全体がキャビティ１１によって案内・誘導され、順タンブル流９の形成がより円滑になされるようになるとともに、キャビティ１１の気筒列方向の互いに対向する側面１１ｂ，１１ｂによっても順タンブル流９の横転・崩壊が抑制される。
【００５４】
第３実施形態
図５は本発明の筒内直接噴射式内燃機関の第３実施形態のピストンの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部破断正面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図、（ｄ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。上述した実施形態と実質的に同一の構成部分については同一の番号を付し、異なる部分について説明する。
【００５５】
すなわち、本実施形態の筒内直接噴射式内燃機関では、ピストン２の冠面には第１キャビティ（凹部）１２が形成され、第１キャビティ１２の中央部近傍に気筒列方向に対して直交する方向に第２キャビティ（凹部）１３がさらに形成されている。第１キャビティ１２は、平面部１１ａを有しない点を除いて第２実施形態のキャビティ１１とほぼ同様で、その底面（表面）形状は円筒面となっている。
【００５６】
また、第２キャビティ１３は、その底面（表面）形状は、基本的に円筒面であるが、その一部１３ａは平面となっている。この平面部１３ａはこの実施形態ではシリンダ軸に対して略直交する面となっているとともに、第１キャビティ１２の円筒面にほぼ接するように形成されている。第１キャビティ１２の円筒面の中心軸と第２キャビティ１３の円筒面の中心軸は互いにシリンダ軸方向に寸法ＯＦだけオフセットされている（図５（ｂ）参照）。第１キャビティ１２の円筒面の半径Ｒと第２キャビティ１３の円筒面の半径Ｒ’は互いに同一でも異なっていてもよい。これらの半径Ｒ、Ｒ’はシリンダ１のボア径と概略一致するように設定することができる。
【００５７】
この実施形態によると、吸気口６ｂ，６ｂからの吸気は第１キャビティ１２に沿って流動することにより順タンブル流９の形成が促進されるとともに、第２キャビティ１３の互いに対向する側面１３ｂ，１３ｂにより構成される吸気誘導壁により点火プラグ５に対応する部分近傍に形成される順タンブル流９ａの横転や崩壊が防止され、噴射燃料が点火プラグ５の近傍に確実に誘導される。
【００５８】
また、第２キャビティ１３の底面の一部１３ａを所定の平面としたので、順タンブル流の横転防止のための第２キャビティ１３の形成に伴うピストン５の冠面部分の肉厚の増大を抑制することができる。さらに、上述の第１および第２実施形態と比較して、ピストン冠面の凹凸が少ないので、噴射燃料のピストン冠面への付着などによる燃焼効率の低下を抑制でき、炭化水素（ＨＣ）などの発生が少なくなる。
【００５９】
これにより、上述した順タンブル流９の点火プラグ５を通過するガス流れが円滑になり、着火性および燃料の成層化がさらに向上することになる。
【００６０】
第４実施形態
図６は本発明の筒内直接噴射式内燃機関の第４実施形態のピストンの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部破断正面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。上述した実施形態と実質的に同一の構成部分については同一の番号を付し、異なる部分について説明する。
【００６１】
すなわち、本実施形態の筒内直接噴射式内燃機関では、ピストン２の冠面には、第１キャビティ（凹部）１４が形成され、第１キャビティ１４の中央部近傍に気筒列方向に対して直交する方向であって排気口７ｂ側に第２キャビティ（凹部）１５がさらに形成されている。第１キャビティ１４は第３実施形態の第１キャビティ１２とほぼ同様で、その底面（表面）形状は円筒面となっている。また、第２キャビティ１５の底面（表面）形状も円筒面となっている。
【００６２】
第１キャビティ１４の円筒面の中心軸に対して第２キャビティ１５の円筒面の中心軸は気筒列方向に直交する面内で燃料噴射弁５から離間する方向に寸法ＯＦだけオフセットされている。第１キャビティ１４の円筒面の半径Ｒと第２キャビティ１５の円筒面の半径Ｒ’は同一でも異なっていてもよい。これらの半径Ｒ、Ｒ’はシリンダ１のボア径と概略一致するように設定することができる。
【００６３】
この実施形態によると、成層希薄燃焼時（低負荷時）には、吸気口６ｂ，６ｂからの吸気は第１キャビティ１４に沿って流動することにより順タンブル流の形成が促進されるとともに、第２キャビティ１５の互いに対向する側面１５ａ，１５ａにより構成される吸気誘導壁により点火プラグ５に対応する部分近傍に形成される順タンブル流９ａの横転や崩壊が防止され、噴射燃料が点火プラグ５の近傍に確実に誘導され、着火性および燃料の成層化がさらに向上することになる。
【００６４】
一方、均質燃焼時（高負荷時）には吸気行程において燃料噴射を行うことになるので、圧縮工程で燃料噴射を行う希薄燃焼時よりも燃焼室内圧力が低い。このため、図６（ｂ）中に点線で示すように、均質燃焼時における燃料噴射弁５による噴射燃料の拡がり角（噴射外径角）は、成層希薄燃焼時の燃料噴射による噴射燃料の拡がり角（図６（ｂ）中に実線で示す）よりも拡大し、ピストン２の冠面との衝突や干渉などによるピストン冠面への付着などにより燃焼率が低下する可能性がある。しかし、この実施形態では、第２キャビティ１５の中心軸が第１キャビティ１４の中心軸よりも燃料噴射弁５から離間する方向にオフセットしているので、燃料噴射弁５の燃料噴射位置からの第２キャビティ１５の底面までの距離が第１キャビティ１４の底面までの距離よりも拡大しているとともに、噴射燃料との衝突角度も緩くできるので、燃料噴霧のピストン冠面への付着などが防止され、均質燃焼時の燃焼効率を向上することができる。
【００６５】
これにより、成層希薄燃焼時には上述した順タンブル流９の点火プラグ５を通過するガス流れが円滑になり、着火性および燃料の成層化がさらに向上することになり、均質燃焼時には燃焼効率を高くすることができる。
【００６６】
第５実施形態
図７は本発明の筒内直接噴射式内燃機関の第５実施形態のピストンの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部破断正面図である。上述した実施形態と実質的に同一の構成部分については同一の番号を付し、異なる部分について説明する。
【００６７】
すなわち、本実施形態の筒内直接噴射式内燃機関では、ピストン２の冠面には、第１キャビティ（凹部）１６が形成され、第１キャビティ１６の中央部近傍に気筒列方向に対して直交する方向であって排気口７ｂ側に第２キャビティ１７がさらに形成されている。第１キャビティ１６はその底面（表面）形状は楕円筒面となっている。この第１キャビティ１６の楕円筒面は気筒列方向に概略沿う方向に中心軸を有し、且つ該楕円Ｅの長軸の方向が吸気側に低く排気側に高くなるようにシリンダ軸に対して斜交するように形成されている。従って、燃焼室４は吸気側の容量が大きく排気側の容量が小さくなるように、縦断面がくさび型の形状となっている。楕円Ｅの長軸方向の径はボア径からスキッシュエリアに相当する部分を除いた径Ｃと同一となるように設定されている。
【００６８】
また、第２キャビティ１７の底面（表面）形状は半径Ｒの円筒面となっている。第２キャビティ１７の円筒面の中心軸は気筒列方向に沿うように設定されており、第２キャビティ１７は第１キャビティ１６の排気口７ｂ側に形成されている。第２キャビティ１７の円筒面の半径Ｒは、シリンダ１のボア径と概略一致するように設定することができる。
【００６９】
この実施形態によると、成層希薄燃焼時（低負荷時）には、吸気口６ｂ，６ｂからの吸気は第１キャビティ１６に沿って流動することにより順タンブル流の形成が促進されるとともに、第２キャビティ１７の互いに対向する側面１７ａ，１７ａにより構成される吸気誘導壁により点火プラグ５に対応する部分近傍に形成される順タンブル流９ａの横転や崩壊が防止され、噴射燃料が点火プラグ５の近傍に確実に誘導され、着火性および燃料の成層化がさらに向上することになる。
【００７０】
一方、均質燃焼時（高負荷時）には、上記第４実施形態と同様に、燃料噴射弁５の燃料噴射位置からの第２キャビティ１７の底面までの距離が第１キャビティ１６までの距離よりも拡大しているので、燃料噴霧のピストン冠面への付着などが抑制され、均質燃焼時の燃焼効率を向上することができる。また、その断面がくさび型の燃焼室としたことにより、高負荷時にノックの起こりやすい吸気側を先に燃焼させることが可能となり、耐ノック性が向上するという効果を併せ持つ。
【００７１】
これにより、成層希薄燃焼時には上述した順タンブル流９の点火プラグ５を通過するガス流れが円滑になり、着火性および燃料の成層化がさらに向上することになり、均質燃焼時には燃焼効率を高くできるとともに、耐ノック性を向上することができる。
【００７２】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の筒内直接噴射式内燃機関の第１実施形態を示す縦断面図である。
【図２】本発明の筒内直接噴射式内燃機関の第１実施形態のピストンの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部破断正面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図３】タンブル流の経時変化を説明するための平面図であり、（ａ）は第１実施形態を、（ｂ）は従来技術を示している。
【図４】本発明の筒内直接噴射式内燃機関の第２実施形態のピストンの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部破断正面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図、（ｄ）はリブの拡大断面図である。
【図５】本発明の筒内直接噴射式内燃機関の第３実施形態のピストンの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部破断正面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図、（ｄ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図６】本発明の筒内直接噴射式内燃機関の第４実施形態のピストンの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部破断正面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図７】本発明の筒内直接噴射式内燃機関の第５実施形態のピストンの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部破断正面図である。
【図８】従来の筒内直接噴射式内燃機関を示す縦断面図であり、（ａ）は順タンブル流を形成するものを、（ｂ）は逆タンブル流を形成するものを示している。
【符号の説明】
１…シリンダ
２…ピストン
２ａ，１１…キャビティ
３…シリンダヘッド
４…燃焼室
５…点火プラグ
６…吸気ポート
６ｂ…吸気口
７…排気ポート
８…燃料噴射弁
９…順タンブル流
１０…リブ
１２，１４，１６…第１キャビティ
１３，１５，１７…第２キャビティ
１３ｂ，１５ａ，１７ａ…吸気誘導壁
Claims (6)
- 燃焼室の吸気口側に設けられた燃料噴射弁により前記燃焼室内へ直接燃料を噴射する筒内直接噴射式内燃機関において、
ピストンの冠面であって点火プラグに対応する部分の気筒列方向の両側に、前記吸気口からの吸気により前記燃焼室内に形成されるタンブル流に沿うように互いに対向する一対の吸気誘導壁を立設し、
前記吸気誘導壁は前記ピストンの冠面に形成されたキャビティの底面に突出するように形成された一対のリブの互いに対向する側面により構成されており、
前記キャビティの底面は、前記気筒列方向に概略沿う方向に中心軸を有する円筒面であり、
前記キャビティの底面の一部は平面となっていることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。 - 前記キャビティの前記気筒列方向の幅を、前記吸気口の最も離間した２点間の寸法と概略同一としたことを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
- 燃焼室の吸気口側に設けられた燃料噴射弁により前記燃焼室内へ直接燃料を噴射する筒内直接噴射式内燃機関において、
ピストンの冠面であって点火プラグに対応する部分の気筒列方向の両側に、前記吸気口からの吸気により前記燃焼室内に形成されるタンブル流に沿うように互いに対向する一対の吸気誘導壁を立設し、
前記吸気誘導壁は前記ピストンの冠面に形成された第１キャビティの底面の一部に形成された第２キャビティの気筒列方向に対向する側面により構成されており、
前記第１キャビティおよび前記第２キャビティの底面は、それぞれ前記気筒列方向に概略沿う方向に中心軸を有する円筒面であり、
前記第２キャビティの底面の一部は、前記第１キャビティの円筒面に接する平面となっていることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。 - 前記第１キャビティの前記中心軸に対して前記第２キャビティの前記中心軸は前記燃料噴射弁から離間する方向にオフセットされていることを特徴とする請求項３に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
- 前記第１キャビティの前記気筒列方向の幅を、前記吸気口の最も離間した２点間の寸法と概略同一としたことを特徴とする請求項３又は４に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
- 燃焼室の吸気口側に設けられた燃料噴射弁により前記燃焼室内へ直接燃料を噴射する筒内直接噴射式内燃機関において、
ピストンの冠面であって点火プラグに対応する部分の気筒列方向の両側に、前記吸気口からの吸気により前記燃焼室内に形成されるタンブル流に沿うように互いに対向する一対の吸気誘導壁を立設し、
前記吸気誘導壁は前記ピストンの冠面に形成された第１キャビティの底面の一部に形成された第２キャビティの気筒列方向に対向する側面により構成されており、
前記第１キャビティの底面は前記気筒列方向に概略沿う方向に中心軸を有する楕円筒面であり、該楕円筒面は前記燃焼室の吸気側の容量が大きく排気側の容量が小さくなるように、該楕円の長軸がシリンダ軸に対して斜交するように形成され、
前記第１キャビティの前記気筒列方向の幅を、前記吸気口の最も離間した２点間の寸法と概略同一としたことを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
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