JP4088565B2 - 筒内噴射式内燃機関および筒内噴射式内燃機関の混合気形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、筒内噴射式内燃機関および筒内噴射式内燃機関の混合気形成方法に関する。

インジェクタによって燃焼室内に直接燃料が噴射される筒内噴射式内燃機関では、点火プラグ周辺に所望の混合気の層を形成するために、ピストンの頂面にキャビティ（凹部）を形成するのが一般的である。そして、この種の筒内噴射式内燃機関としては、ピストンの位置が変化してもインジェクタから噴射される燃料を順次衝突させることができるように、ピストン頂面（キャビティ内）の排気弁下方の領域に複数の段部が形成されているものも知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０００−２７６５２号公報

しかしながら、上述のように構成される従来の内燃機関では、特に成層燃焼運転を実行する際に点火プラグ周辺に所望の混合気の層を形成すべくキャビティの深さをある程度大きくしておく必要があるので、その分だけピストン重量（特にピストン上部の重量）が増加してしまい、フリクションや、ピストンスラップ等の問題を招くおそれがある。また、ピストンのキャビティを深くすると圧縮比が低下してしまい、内燃機関における熱効率が低下してしまう。更に、ピストン頂面の排気弁側の領域に複数の段部を設けても、インジェクタから噴射される燃料が排気弁側の筒内壁面に達してしまうことがあり、内燃機関を高負荷、高回転域で運転する際に、燃焼室内の混合気を均質（ホモジニアス）に保つことが困難となる。

そこで、本発明は、点火プラグ周辺に所望の混合気の層を良好に形成可能とし、かつ、ピストンの重量増加や圧縮比の低下を抑制可能とする筒内噴射式内燃機関および筒内噴射式内燃機関の混合気形成方法の提供を目的とする。

本発明による内燃機関は、筒内に燃料を直接噴射するインジェクタ、吸気弁および排気弁を有し、筒内でピストンを往復移動させて動力を発生する筒内噴射式内燃機関において、ピストンの頂面に形成されており、インジェクタから噴射された燃料の少なくとも一部を吸気弁に向けて跳ね返すことができるキャビティを備えることを特徴とする。

この筒内噴射式内燃機関では、インジェクタによって筒内に直接噴射された燃料の少なくとも一部がピストンの頂面に形成されているキャビティにより吸気弁に向けて跳ね返される。そして、キャビティで吸気弁に向けて跳ね返された燃料は、吸気弁の周辺から横方向(側方)に拡散していくことになる。これにより、この筒内噴射式内燃機関では、キャビティを浅くしても、筒内に所望の混合気の層を良好に形成可能となり、例えば成層燃焼運転時には、点火プラグ周辺に混合気の層が周囲の空気層から分離した状態で良好に形成（成層化）されることになる。

また、キャビティによりインジェクタからの燃料の少なくとも一部を吸気弁に向けて跳ね返すことにより、インジェクタから噴射される燃料が排気弁側の筒内壁面に達してしまうようなことが確実に抑制される。従って、この内燃機関を高負荷、高回転域で運転する際には、筒内に均質（ホモジニアス）な混合気の層を確実に形成することができる。そして、この筒内噴射式内燃機関によれば、良好な性能を確保しつつ、従来のものに比べてキャビティを浅くすることが可能となるので、圧縮比の低下やピストンの重量増加を抑制することができる。

また、本発明の筒内噴射式内燃機関は、キャビティを複数有し、複数のキャビティがピストンの頂面に並設されていると好ましい。

このように、ピストンの頂面に複数のキャビティを並設しておけば、各キャビティを浅くしておいても、燃料が各キャビティと衝突する際に小さな気流の乱れが発生することになり、このような気流の乱れによって燃料の拡散を促進させることができる。そして、かかる構成によれば、内燃機関の運転時にピストンの位置が変化しても、インジェクタから噴射された燃料を複数のキャビティの何れかと衝突させることができるので、インジェクタからの燃料の少なくとも一部を確実に吸気弁に向けて跳ね返すことが可能となる。

また、インジェクタは、吸気通路の下方に配置されており、複数のキャビティは、吸気側から排気側に向かう燃料の流れ方向に沿って階段状に並設されていると好ましい。

更に、インジェクタは、燃料噴射口が燃焼室の上部中央に臨むように配置されており、複数のキャビティは、概ね同心円状に並設されていると好ましい。

本発明による混合気形成方法は、筒内に燃料を直接噴射するインジェクタ、吸気弁および排気弁を有し、筒内でピストンを往復移動させて動力を発生する筒内噴射式内燃機関の混合気形成方法であって、インジェクタから噴射された燃料の少なくとも一部をピストンに形成されているキャビティにより吸気弁に向けて跳ね返すことを特徴とする。

上述のように、本発明によれば、点火プラグ周辺に所望の混合気の層を良好に形成可能とし、かつ、ピストンの重量増加や圧縮比の低下を抑制可能とする筒内噴射式内燃機関および筒内噴射式内燃機関の混合気形成方法の実現が可能となる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明による内燃機関を示す部分断面図である。同図に示される内燃機関１は、燃焼室２の内部でガソリン等の燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室２内でピストン１０を往復移動させることにより動力を発生するものである。なお、図１には１気筒のみが示されるが、内燃機関１は多気筒エンジンとして構成されると好ましく、本実施形態の内燃機関１は、例えば４気筒エンジンとして構成される。

また、本実施形態の内燃機関１は、いわゆる４バルブエンジンとして構成されており、各燃焼室２には、吸気ポートおよび排気ポートがそれぞれ２つずつ設けられている。各燃焼室２の２つの吸気ポートは、それぞれ吸気通路３に接続され、各燃焼室２の２つの排気ポートは、それぞれ排気通路４に接続されている。そして、内燃機関１のシリンダヘッドＣＨには、各吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが燃焼室２ごとに配設されている。２体の吸気弁Ｖｉおよび２体の各排気弁Ｖｅは、例えば、可変バルブタイミング機能を有する動弁機構（図示省略）によって開閉させられる。

更に、内燃機関１は、点火プラグ５およびインジェクタ６を気筒数に応じた数だけ有しており、点火プラグ５とインジェクタ６とは、燃焼室２ごとに少なくとも１体ずつ備えられている。図１に示されるように、点火プラグ５は、対応する燃焼室２の上部中央付近に臨むようにシリンダヘッドＣＨに装着されている。また、本実施形態では、いわゆるサイドインジェクション方式が採用されており、インジェクタ６は、図１に示されるように、燃焼室２に連なる吸気通路３の下方に位置するようにシリンダヘッドＣＨに装着されている。そして、各インジェクタ６は、対応する燃焼室２に対して側方から燃料を直接噴射する。

一方、ピストン１０の頂面には、図１〜図３に示されるように、２体の吸気弁Ｖｉに対応するバルブリセス１１ｉと、２体の排気弁Ｖｅに対応するバルブリセス１１ｅとが形成されている。各バルブリセス１１ｉおよび１１ｅは、吸気弁Ｖｉまたは排気弁Ｖｅの弁体の外径に応じた内径を有する円形の浅い凹部として形成されている。このように、ピストン１０の頂面にバルブリセス１１ｉおよび１１ｅを形成しておくことにより、各吸気弁Ｖｉと各排気弁Ｖｅとをオーバーラップさせても、ピストン１０と各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅとが干渉し合ってしまうことを防止することができる。

更に、内燃機関１では、各燃焼室２の内部にインジェクタ６から燃料が直接噴射されることを踏まえて、点火プラグ５の周辺に所望の混合気の層を形成すべく、ピストン１０の頂面（バルブリセス１１ｉおよび１１ｅの底面）に複数のキャビティ１２ａ，１２ｂおよび１２ｃが形成されている。本実施形態において、各キャビティ１２ａ〜１２ｃは、上方から見て概ね矩形を呈すると共に側方から見て概ね楔状を呈する凹部として形成されており、概ね平坦な底面と、底面からなだらかに立ち上がる側壁面および後壁面とを有する。そして、各キャビティ１２ａ〜１２ｃの最深部の深さは、バルブリセス１１ｉおよび１１ｅの底面からおよそ数ミリ程度とごく浅く設定されている。

また、本実施形態において、各キャビティ１２ａ〜１２ｃは、全体に吸気弁Ｖｉ側に寄せられた状態で、インジェクタ６から噴射されて吸気側から排気側に向かう燃料の流れ方向、すなわち、ピストンピン１０ｐ（図１参照）の延在方向と直交する方向（図１および図３において矢印で示される方向）に沿って階段状に並設されている。そして、各キャビティ１２ａ〜１２ｃの底面、側壁面および後壁面の傾斜度は、インジェクタ６から噴射された燃料の少なくとも一部が吸気弁Ｖｉに向けて跳ね返されるように（吸気弁Ｖｉの弁体裏面に燃料が衝突するように）設定されている。

上述のように構成された内燃機関１において成層燃焼運転が実行される場合、主に圧縮行程で（燃焼室２内に空気を吸入させた状態で）、インジェクタ６から燃焼室２の内部にガソリン等の燃料が直接噴射される。そして、インジェクタ６によって燃焼室２内に直接噴射された燃料の少なくとも一部は、ピストン１０に形成されているキャビティ１２ａ〜１２ｃの少なくとも何れかにより吸気弁Ｖｉ（弁体の裏面）に向けて跳ね返される。そして、キャビティ１２ａ〜１２ｃの少なくとも何れかで吸気弁Ｖｉに向けて跳ね返された燃料は、吸気弁Ｖｉの周辺から横方向(側方、すなわち、ピストンピン１０ｐの延在方向)に拡散していくことになる。これにより、内燃機関１では、各キャビティ１２ａ〜１２ｃを浅くしても、点火プラグ５の近傍に燃料と空気との混合気の層が周囲の空気層と分離された状態で形成（成層化）されるので、極めて希薄な混合気を用いて安定した成層燃焼を実行することが可能となる。

また、キャビティ１２ａ〜１２ｃによりインジェクタ６からの燃料の少なくとも一部を吸気弁Ｖｉに向けて跳ね返すことにより、インジェクタ６から噴射される燃料が排気弁Ｖｅ側の筒内壁面に達してしまうようなことが確実に抑制される。従って、内燃機関１を高負荷、高回転域で運転する際には、吸気行程でインジェクタ６から燃焼室２の内部に燃料を直接噴射することにより、燃焼室２の内部に均質（ホモジニアス）な混合気の層を確実に形成可能となる。このように、内燃機関１では、各キャビティ１２ａ〜１２ｃを浅くしても、燃焼室２の内部に所望の混合気の層を良好に形成可能となる。そして、内燃機関１では、良好な性能を確保しつつ、従来のものに比べて各キャビティ１２ａ〜１２ｃを浅くすることが可能となるので、圧縮比の低下やピストン１０の重量増加を抑制することができる。

更に、複数のキャビティ１２ａ〜１２ｃをピストン１０の頂面に階段状に並設することにより、各キャビティ１２ａ〜１２ｃを浅くしておいても、燃料が各キャビティ１２ａ〜１２ｃと衝突する際に小さな気流の乱れが発生することになり、このような気流の乱れによって燃料の拡散を促進させることができる。加えて、複数のキャビティをピストン１０の頂面に階段状に並設しておけば、内燃機関１の運転時にピストン１０の位置が変化しても、インジェクタ６から噴射された燃料を複数のキャビティ１２ａ〜１２ｃの何れかと衝突させることができる。これにより、インジェクタ６からの燃料の少なくとも一部を確実に吸気弁Ｖｉに向けて跳ね返すことが可能となる。

図４は、上述の内燃機関１の出力特性と、一般的な深皿頂面型ピストンを備えた内燃機関の出力特性とを対比させたグラフである。また、図５は、上述の内燃機関１の燃費率と、一般的な深皿頂面型ピストンを備えた内燃機関の燃費率とを対比させたグラフである。図４および図５において、実線は、内燃機関１のデータを示し、破線は、比較例の内燃機関のデータを示す。図４および図５に示される評価結果からわかるように、上述の内燃機関１では、高回転域において出力の低下が抑制されると共に、高回転運転時における燃費率が低下しており、これらの結果より、内燃機関１では、高回転域において、燃焼室２内に均質な混合気の層が良好に形成されているものと推定される。このように、インジェクタ６から噴射された燃料の少なくとも一部をピストン１０に形成されているキャビティ１２ａ〜１２ｃにより吸気弁Ｖｉに向けて跳ね返すことは、内燃機関の高負荷、高回転域における高出力化、低燃費化を図る上で極めて有効である。

図６〜図９は、上述の内燃機関に適用可能なピストンの他の例を示す斜視図である。図６に示されるピストン１０Ａでは、キャビティ１２ａ〜１２ｃが上方から見て概ね扇状を呈する共に側方から見て概ね楔状を呈する凹部として形成されている。また、図７に示されるピストン１０Ｂでは、最も吸気弁Ｖｉに近いキャビティ１２ａが吸気弁Ｖｉ用の２つのバルブリセス１１ｉと干渉しないように形成されると共に、バルブリセス１１ｉの底面に、上方から見て概ね円形のキャビティ１２ｂが形成されている。これらのピストン１０Ａやピストン１０Ｂも重量増加を抑制可能なものであり、ピストン１０Ａやピストン１０Ｂを上述の内燃機関１に適用しても、圧縮比の低下を抑制すると共に、点火プラグ５の周辺に所望の混合気の層を良好に形成することが可能となる。

また、図８に示されるピストン１０Ｃや図９に示されるピストン１０Ｄのように、キャビティの幅ｗ（インジェクタ６から噴射されて吸気側から排気側に向かう燃料の流れ方向と直交する方向における長さ、すなわち、ピストンピン１０ｐ（図１参照）の延在方向における長さ）をインジェクタ６によって噴射される燃料の噴霧幅に合わせて設定（拡大）してもよい。これにより、インジェクタ６から燃焼室２内に噴射された燃料の横方向（側方）への拡散をより効果的に促進させることができる。この場合、キャビティの幅ｗは、インジェクタ６による最大噴霧幅よりも多少大きめに設定されると好ましい。

なお、図８のピストン１０Ｃは、吸気側から排気側に向かう燃料の流れ方向における長さが比較的小さい合計４つのキャビティ１２ａ〜１２ｄを有している。そして、図８のピストン１０Ｃでは、最も吸気弁Ｖｉに近いキャビティ１２ａが上方から見て概ね扇状を呈するように形成されており、最も排気弁Ｖｅに近いキャビティ１２ｄの幅がキャビティ１２ｂおよび１２ｃに比べて小さく設定されている。また、図９のピストン１０Ｄでは、最も吸気弁Ｖｉに近いキャビティ１２ａから、上方から見て扇状を呈する凹部が吸気弁Ｖｉに向けて延設されている。これらのピストン１０Ｃやピストン１０Ｄも重量増加を抑制可能なものであり、ピストン１０Ｃやピストン１０Ｄを上述の内燃機関１に適用しても、圧縮比の低下を抑制すると共に、点火プラグ５の周辺に所望の混合気の層を良好に形成することが可能となる。

図１０は、内燃機関の他の実施形態を示す部分断面図である。なお、上述の実施形態に関連して説明されたものと同一の要素には同一の参照符号が付され、重複する説明は省略される。

図１０に示される内燃機関１Ａも、燃焼室２の内部でガソリン等の燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室２内でピストン１０Ｅを往復移動させることにより動力を発生するものである。内燃機関１Ａも、インジェクタ６を気筒数に応じた数だけ有するが、本実施形態では、いわゆるセンターインジェクション方式が採用されており、インジェクタ６は、図１０に示されるように、その燃料噴出口が燃焼室２の上部中央付近に臨むようにシリンダヘッドＣＨに配置されている。

そして、内燃機関１Ａのピストン１０Ｅの頂面には、キャビティ１２０ａ〜１２０ｃが複数形成されている。図１０〜図１２に示されるように、キャビティ１２０ａ〜１２０ｃは、何れも環状の凹部として形成されており、それぞれの中心がピストン両面の中心１０ｏよりも排気弁Ｖｅ側にオフセットされた状態で、ピストン１０Ｅの頂面（バルブリセス１１ｉおよび１１ｅの底面）に概ね同心円状に並設されている。各キャビティ１２０ａ〜１２０ｃの最深部の深さも、バルブリセス１１ｉおよび１１ｅの底面からおよそ数ミリ程度とごく浅く設定されている。

上述のように構成された内燃機関１Ａにおいても、インジェクタ６によって燃焼室２の上部中央に直接噴射された燃料の少なくとも一部がピストン１０Ｅに形成されているキャビティ１２０ａ〜１２０ｃの少なくとも何れかにより吸気弁Ｖｉ（弁体の裏面）に向けて跳ね返される。これにより、インジェクタ６から噴射される燃料が排気弁Ｖｅ側の筒内壁面に達してしまうようなことが確実に抑制され、キャビティ１２ａで吸気弁Ｖｉに向けて跳ね返された燃料は、吸気弁Ｖｉの周辺から横方向(側方、すなわち、ピストンピン１０ｐの延在方向)に拡散していくことになる。

これにより、内燃機関１の成層燃料運転時には、点火プラグ５の近傍に燃料と空気との混合気の層を周囲の空気層と分離した状態で形成（成層化）可能となり、内燃機関１を高負荷、高回転域で運転する際には、燃焼室２の内部に均質（ホモジニアス）な混合気の層を確実に形成可能となる。このように、内燃機関１Ａでは、各キャビティ１２０ａ〜１２０ｃを浅くしても、燃焼室２の内部に所望の混合気の層を良好に形成可能となる。そして、内燃機関１Ａでは、良好な性能を確保しつつ、従来のものに比べて各キャビティ１２０ａ〜１２０ｃを浅くすることが可能となるので、圧縮比の低下やピストン１０Ｅの重量増加を抑制することができる。

更に、複数のキャビティ１２ａ〜１２ｃをピストン１０Ｅの頂面に階段状に並設することにより、各キャビティ１２ａ〜１２ｃを浅くしておいても、燃料が各キャビティ１２ａ〜１２ｃと衝突する際に小さな気流の乱れが発生することになり、このような気流の乱れによって燃料の拡散を促進させることができる。加えて、複数のキャビティをピストン１０Ｅの頂面に階段状に並設しておけば、内燃機関１の運転時にピストン１０Ｅの位置が変化しても、インジェクタ６から噴射された燃料を複数のキャビティ１２ａ〜１２ｃの何れかと衝突させることができる。これにより、インジェクタ６からの燃料の少なくとも一部を確実に吸気弁Ｖｉに向けて跳ね返すことが可能となる。

本発明による内燃機関の一実施形態を示す部分断面図である。 図１の内燃機関のピストンを示す斜視図である。 図２のピストンの上面図である。 本発明による内燃機関の出力特性と、一般的な深皿頂面型ピストンを備えた内燃機関の出力特性とを対比させたグラフである。 本発明による内燃機関の燃費率と、一般的な深皿頂面型ピストンを備えた内燃機関の燃費率とを対比させたグラフである。 図１の内燃機関に適用可能なピストンの他の例を示す斜視図である。 図１の内燃機関に適用可能なピストンの他の例を示す斜視図である。 図１の内燃機関に適用可能なピストンの他の例を示す斜視図である。 図１の内燃機関に適用可能なピストンの他の例を示す斜視図である。 内燃機関の他の実施形態を示す部分断面図である。 図１０の内燃機関のピストンを示す斜視図である。 図１１のピストンの上面図である。

符号の説明

１，１Ａ 内燃機関
２ 燃焼室
５ 点火プラグ
６ インジェクタ
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ ピストン
１１ｉ，１１ｅ バルブリセス
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ キャビティ
Ｖｉ 吸気弁
Ｖｅ 排気弁

Claims (3)

1. 吸気通路の下方に配置されて筒内に燃料を直接噴射するインジェクタ、燃焼室の上部中央に臨むように配置された点火プラグ、２本の吸気弁、および排気弁を有し、前記筒内でピストンを往復移動させて動力を発生する筒内噴射式内燃機関において、
   前記ピストンの頂面に形成され、前記２本の吸気弁に対応する２つのバルブリセスであって、それぞれ吸気弁の弁体の外径に応じた内径を有する円形の凹部として形成されている２つのバルブリセスと、
   前記２つのバルブリセスの底面に形成され、前記インジェクタから噴射された燃料の少なくとも一部を前記吸気弁に向けて跳ね返すことができる複数のキャビティとを備え、
   前記２つのバルブリセスの底面は、ピストン中央側が高くなるような傾斜面として形成され、
   前記複数のキャビティは、前記２つのバルブリセスの底面に跨って凹部状に並設されている
   ことを特徴とする筒内噴射式内燃機関。
2. 前記複数のキャビティは、吸気側から排気側に向かう燃料の流れ方向に沿って階段状に並設されていることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関。
3. 吸気通路の下方に配置されて筒内に燃料を直接噴射するインジェクタ、燃焼室の上部中央に臨むように配置された点火プラグ、２本の吸気弁、および排気弁を有し、前記筒内でピストンを往復移動させて動力を発生する筒内噴射式内燃機関の混合気形成方法であって、
   前記ピストンの頂面に、前記２本の吸気弁に対応する２つのバルブリセスであってそれぞれ吸気弁の弁体の外径に応じた内径を有する円形の凹部として形成されており、それら底面がピストン中央側が高くなるような傾斜面として形成された２つのバルブリセスを形成し、
   前記２つのバルブリセスの底面に、これら底面に跨って凹部状に並設された複数のキャビティを形成し、
   前記インジェクタから噴射された燃料の少なくとも一部を前記複数のキャビティの何れかにより前記吸気弁に向けて跳ね返すことを特徴とする筒内噴射式内燃機関の混合気形成方法。

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