JP4257520B2 - 筒内噴射型内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は筒内噴射型内燃機関に係り、詳しくはピストンのキャビティ形状に関するものである。

筒内噴射型内燃機関の燃焼形態の一つとして、シリンダ、ピストン頂面及びシリンダヘッド下面により構成された燃焼室の中央付近においてシリンダヘッド下面に燃料噴射弁と点火プラグとを配設して、機関の圧縮行程において燃料噴射弁から下方に向けて燃料を噴射し、噴射した燃料噴霧を燃料噴射中又は燃料噴射終了直後に点火プラグにより点火してピストンのキャビティ内で燃焼させるようにした所謂スプレーガイド燃焼方式が提案されている。当該スプレーガイド燃焼方式では、燃料噴霧のキャビティ外への拡散が未燃ＨＣの発生に直結するため、キャビティ側壁で燃料噴霧を堰き止めるためにキャビティ深さをある程度確保する必要がある。

しかしながら、キャビティ深さを増加させると燃焼室容積の増大に伴って圧縮比が低下することから、キャビティ深さと圧縮比とはトレードオフの関係と見なされる。特に４弁式内燃機関等で多く採用されているペントルーフ型燃焼室では、図６の部分断面図に示すように、シリンダヘッド下面を吸気弁６及び排気弁７に倣って吸排気方向（図の左右方向）に傾斜させており、当該形状に対応させてピストン２の頂面もペントルーフ型に形成しているため、キャビティ１０１の底面１０１ａを取り囲む側壁１０１ａの高さは吸排気方向の両側で低くなっている。従って、キャビティ１０１の側壁１０１ａの吸排気方向の両側でも燃料噴霧を塞き止め可能な必要最小高さｈを確保するにはキャビティ１０１をかなり深く形成する必要が生じ、必然的に上記トレードオフの関係が更に厳しくなって双方の条件を共に満足させることは非常に困難であった。

一方、キャビティ深さを確保しつつ所期の圧縮比を達成するために、キャビティ内の底面中央に隆起部を形成する対策が提案されている（例えば、特許文献１参照）。当該特許文献１に開示された筒内噴射型内燃機関では、燃焼室の外周一側に燃料噴射弁を配置して斜め下方に向けて燃料を噴射する一方、キャビティ内の底面中央に燃料噴射方向に沿って長方形状の隆起部を突出形成している。燃料噴射は吸気行程で行われ、ピストンの下降中に燃料噴霧をキャビティ内の隆起部上に常に略同一角度で衝突させることで燃焼の安定化を図っている。
特開２００２−１８０８３７号公報（第１図）

しかしながら、上記特許文献１に開示された筒内噴射型内燃機関は燃料噴射を吸気行程で行っており、噴射中又は噴射終了直後に燃料噴霧を点火するスプレーガイド燃焼方式とは燃焼形態を異にしている。必然的に特許文献１のキャビティ形状は燃料噴霧を堰き止めることを想定していない上に、キャビティの底面から突出した隆起部は圧縮比向上には貢献するもののキャビティによる燃料噴霧の堰き止め作用を却って阻害してしまい、結果として上記キャビティ深さと圧縮比とのトレードオフの関係を解消する対策とはなり得なかった。

本発明の目的は、十分なキャビティ深さを確保して燃料噴霧のキャビティ外への拡散を抑制し、もって良好な燃焼状態を実現した上で、キャビティの形成に伴う燃焼室容積の増大を抑制して所期の圧縮比を達成することができる筒内噴射型内燃機関を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、シリンダブロックのシリンダに対応したシリンダヘッド下面にシリンダヘッド内側へ凹設して形成されたペントルーフ型の吸気側傾斜下面及び排気側傾斜下面と、頂面が前記吸気側傾斜下面及び排気側傾斜下面に対応して傾斜して形成されたペントルーフ型の吸気側上面及び排気側上面を有し、頂面にキャビティが凹設されたピストンと、シリンダの中央付近においてシリンダヘッドの下面に配設されて、キャビティに向けて燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃料噴射弁の近接位置においてシリンダヘッドの下面に配設されて、燃料噴射弁から噴射された燃料を点火可能な点火プラグとを備えた筒内噴射型内燃機関において、キャビティの底面が、ピストンの頂面の吸気側上面及び排気側上面に沿って吸気側及び排気側に傾斜して形成されているものである。

従って、機関の圧縮行程において燃料噴射弁から噴射された燃料は、例えば燃料噴射中又は燃料噴射終了直後等に点火プラグにより点火されてピストンのキャビティの底面に衝突し、キャビティの側壁により堰き止められてキャビティ外への拡散を抑制されながらキャビティ内で燃焼し、これにより層状燃焼が行われる。そして、キャビティの底面がピストン頂面の傾斜に沿って吸気側及び排気側に傾斜しているため、吸排気方向の両側において燃料噴霧を堰き止め可能なキャビティ側壁の高さを確保したときに、キャビティの底面は吸排気方向の中央を凸とした形状をなすことから、キャビティ底面が平坦な場合に比較して燃焼室容積が縮小される。
請求項２の発明は、請求項１において、ピストンのキャビティが、平面視において吸排気方向を長軸とする楕円形状に形成されたものである。
燃焼室の略中央の燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧がペントルーフ型のピストン頂面に到達するまでの距離は、吸排気方向に比較して気筒列設方向の方が短く、換言すれば気筒列設方向の方がピストン頂面の中心寄りに燃料噴霧が衝突する。従って、それに合わせて気筒列設方向に圧縮したキャビティを形成してもキャビティの機能は損なわれず、キャビティ容積が減少することで燃焼室容積が一層縮小可能となる。

以上説明したように請求項１の発明の筒内噴射型内燃機関によれば、十分なキャビティ深さを確保して燃料噴霧のキャビティ外への拡散を抑制し、もって良好な燃焼状態を実現した上で、キャビティの形成に伴う燃焼室容積の増大を抑制して所期の圧縮比を達成することができる。
請求項２の発明の筒内噴射型内燃機関によれば、請求項１に加えて、キャビティの機能を損なうことなく、キャビティ容積を減少させて燃焼室容積を一層縮小することができる。

以下、本発明を具体化した筒内噴射型内燃機関の一実施形態を説明する。
図１は本実施形態の筒内噴射型内燃機関の１気筒分の燃焼室周辺を示す部分断面図、図２は同じく燃焼室周辺を示す図１のII−II線断面図、図３はピストン頂面を示す図２のIII−III線断面図であり、図１の左右方向が気筒列設方向に相当し、図２の左右方向が吸排気方向に相当する。

シリンダブロック１に形成されたシリンダ１ａにはピストン２が配置され、ピストン２は図示しないクランク軸の回転に連動してシリンダ１ａ内を摺動する。シリンダブロック１のシリンダ１ａに対応してシリンダヘッド３の下面には吸気側傾斜下面３ａ及び排気側傾斜下面３ｂが凹設され、当該吸気側傾斜下面３ａ及び排気側傾斜下面３ｂには吸気ポート４及び排気ポート５の一端が開口形成されている。シリンダ１ａ、ピストン２の頂面２及びシリンダヘッド３の下面の吸気側傾斜下面３ａ及び排気側傾斜下面３ｂにより燃焼室３ｃが構成され、燃焼室３ｃは吸気ポート４を介して図示しない機関の吸気系と連通する一方、排気ポート５を介して機関の排気系と連通している。尚、本実施形態の内燃機関は４弁式として構成されており、吸気ポート４及び排気ポート５は図２の紙面と直交する方向に一対ずつ併設されている。

シリンダヘッド３には吸気ポート４及び排気ポート５を閉鎖するように吸気弁６及び排気弁７が配設され、これらの吸気弁６及び排気弁７は所定の挟角を形成した状態で、図示しない動弁機構によりクランク軸の回転に連動して駆動されて吸気ポート４及び排気ポート５を開閉する。吸気側傾斜下面３ａ及び排気側傾斜下面３ｂはペントルーフ型をなし、吸気弁６及び排気弁７の間を境界として吸気側傾斜下面３ａは吸気弁６に倣った所定角度で傾斜し、排気側傾斜下面３ｂは排気弁７に倣った所定角度で傾斜している。

燃焼室３ｃの略中心位置に対応するシリンダヘッド３の下面には燃料噴射弁８及び点火プラグ９が気筒列設方向に併設されており、燃料噴射弁８は直立した姿勢で配置されて、その先端の噴孔部８ａを燃焼室３ｃ内に臨ませており、噴孔部８ａから下方に向けて燃料を噴射する。
点火プラグ９は先端の電極部９ａを燃焼室３ｃ内に臨ませた状態で、当該電極部９ａを燃料噴射弁８側に接近させるように若干斜めの姿勢で配置されている。点火プラグ９の電極部９ａは燃料噴射弁８から噴射される燃料噴霧の移動経路上、若しくは移動経路の近接位置に配置され、噴射された燃料噴霧を直接的に点火し得る。

一方、上記ピストン２の頂面は吸気側傾斜下面３ａ及び排気側傾斜下面３ｂと対応するようにペントルーフ型に形成されており、吸排気方向の中央に形成された平坦面１０ａと、平坦面１０ａを挟んだ吸気側の傾斜面１０ｂ及び排気側の傾斜面１０ｃとから構成されている。

図３に示すように、ピストン２の頂面には平面視でピストン２と同一中心の円形状をなすキャビティ１１が形成され、当該キャビティ１１は円形状の底面１１ａの周囲全体を直立した側壁１１ｂが取り囲んだ形状をなしている。図２に示すようにキャビティ１１の底面１１ａはピストン２の頂面と対応する形状をなしており、ピストン頂面の平坦面１０ａに対して平行な平坦面１２ａと、ピストン頂面の両傾斜面１０ｂ，１０ｃに対してそれぞれ平行な吸排気側の傾斜面１２ｂ，１２ｃとから構成されている。換言すれば、ピストン頂面のキャビティ１１の領域が元の頂面形状を保ったまま所定深さで下方に凹設されていると見なせる。その結果、キャビティ１１の側壁１１ｂの高さはキャビティ１１の全周に亘って略等しくなっており、後述するように燃料噴霧を塞き止め可能な必要最小高さｈに設定されている。

以上のように構成された筒内噴射型内燃機関は図示しないＥＣＵ（エンジン制御ユニット）により総合的に制御される。燃料噴射制御については、運転領域（例えば、機関回転速度及び機関負荷）に応じて燃料噴射を吸気行程で行う吸気行程噴射モードと燃料噴射を圧縮行程で行う圧縮行程噴射モードとを選択的に実行する。
例えば、機関回転速度や機関負荷が比較的低い領域では圧縮行程噴射モードに切換えて、圧縮行程で噴射された燃料噴霧をリーン空燃比の雰囲気中で燃焼させる層状燃焼を行って燃費向上やエミッション低減を達成する一方、機関回転速度や機関負荷の増加に伴って吸気行程噴射モードに切換え、吸気行程で噴射された燃料噴霧を周囲の空気と均一に混合させながら燃焼させる均一燃焼を行って機関出力を確保する。

上記圧縮行程噴射モードではスプレーガイドが用いられている。即ち、圧縮行程において燃料噴射弁８から噴射された燃料噴霧は燃料噴射中又は燃料噴射終了直後に点火プラグ９により点火され、燃焼しながら下方に位置するピストン２のキャビティ１１内の底面１１ａに衝突する。衝突した燃料噴霧はキャビティ１１の側壁１１ｂに堰き止められてキャビティ１１外への拡散を抑制されながらキャビティ１１内で燃焼を継続し、これにより層状燃焼が行われる。

そして、上記のようにキャビティ１１の側壁１１ｂ全周の高さとして燃料を堰き止め可能な必要最小高さｈが確保されていることから、キャビティ１１の底面１１ａに衝突した燃料噴霧を確実に堰き止めてキャビティ１１外への拡散を抑制でき、もって、未燃ＨＣの発生を防止した良好な燃焼状態を実現できると共に、キャビティ１１の底面１１ａがピストン２の頂面と対応して吸排気方向の中央を凸とした形状をなすことから、図６に示すキャビティ１０１の底面１０１ａが平坦な先行技術に比較して燃焼室容積が縮小され、結果としてキャビティ１１の形成に伴う燃焼室容積の増大を抑制して所期の圧縮比を達成することができる。

しかも、キャビティ１１の底面１１ａを凸とすることで燃焼室表面積は若干増大するものの、例えば先行技術として説明した特許文献１のようにキャビティの底面から隆起部を突出させた場合に比較すると、キャビティ１１の底面１１ａの隆起は極めてなだらかで燃焼室表面積の増大が最小限に抑制されるため、燃焼室３ｃのＳＶ比（燃焼室容積Ｖに対する燃焼室表面積Ｓの比）の悪化による燃焼効率の低下を防止できるという利点もある。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、ピストン２の頂面に対してキャビティ１１の底面１１ａを完全に対応する形状としたが、キャビティ形状はこれに限ることはなく、例えば図４に示すようにキャビティ１１の底面１１ａの吸排気方向の両側に平坦部２１を形成してもよい。この場合にはキャビティ１１の底面１１ａの表面積がより縮小されるため、燃焼室３ｃのＳＶ比を更に改善することができる。

又、上記実施形態では、キャビティ１１の側壁１１ｂの高さをキャビティ１１の全周に亘って略等しくしたが、図５に示すように吸気側のキャビティ１１の側壁１１ｂを排気側より高く（即ち、キャビティ１１の吸気側を深く）設定してもよい。逆に排気側のキャビティ１１の側壁１１ｂを吸気側より高くしてもよい。

更に、上記実施形態ではキャビティ１１を円形状としたが、図３に２点鎖線で示すように吸排気方向を長軸とする楕円形状のキャビティ２２を形成してもよい。燃焼室中央の燃料噴射弁８から噴射された燃料噴霧がペントルーフ型のピストン頂面に到達するまでの距離は、吸排気方向に比較して気筒列設方向の方が短く、換言すれば気筒列設方向の方がピストン頂面の中心寄りに燃料噴霧が衝突することから、それに合わせて気筒列設方向に圧縮したキャビティ２２を形成してもキャビティ２２の機能は損なわれず、キャビティ容積が減少することで燃焼室容積を一層縮小できるという利点が得られる。

実施形態の筒内噴射型内燃機関の１気筒分の燃焼室周辺を示す部分断面図である。 同じく燃焼室周辺を示す図１のII−II線断面図である。 ピストン頂面を示す図２のIII−III線断面図である。 キャビティ底面の両側に平坦部を形成した別例を示す断面図である。 吸気側のキャビティ側壁を排気側より高くした別例を示す断面図である。 キャビティ底面を平坦にした先行技術を示す断面図である。

符号の説明

２ ピストン
３ａ 吸気側傾斜下面
３ｂ 排気側傾斜下面
３ｃ 燃焼室
６ 吸気弁
７ 排気弁
８ 燃料噴射弁
９ 点火プラグ
１１，２２ キャビティ

Claims (2)

1. シリンダブロックのシリンダに対応したシリンダヘッド下面に該シリンダヘッド内側へ凹設して形成されたペントルーフ型の吸気側傾斜下面及び排気側傾斜下面と、
   頂面が前記吸気側傾斜下面及び排気側傾斜下面に対応して傾斜して形成されたペントルーフ型の吸気側上面及び排気側上面を有し、該頂面にキャビティが凹設されたピストンと、
   前記シリンダの中央付近において前記シリンダヘッドの下面に配設されて、前記キャビティに向けて燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記燃料噴射弁の近接位置において前記シリンダヘッドの下面に配設されて、前記燃料噴射弁から噴射された燃料を点火可能な点火プラグと
   を備えた筒内噴射型内燃機関において、
   前記キャビティの底面は、前記ピストンの頂面の前記吸気側上面及び排気側上面に沿って吸気側及び排気側に傾斜して形成されていることを特徴とする筒内噴射型内燃機関。
2. 前記ピストンのキャビティは、平面視において吸排気方向を長軸とする楕円形状に形成されたことを特徴とする請求項１記載の筒内噴射型内燃機関。

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