JP5664349B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、筒内噴射式の内燃機関に関する。

内燃機関のピストンの形状を種々改良することが提案されている。例えば、その一例が特許文献１に開示されている。特許文献１の内燃機関のピストンは、冠面に凹部が設けられ、該凹部は全体としてシリンダ内のタンブル流の流れに沿うように湾曲している。この凹部には、ピストンピン中心軸線と平行に直線状に延びた段部が設けられ、該段部は、成層希薄燃焼時、吸気弁間に配置された筒内噴射用燃料噴射弁からの燃料が点火プラグ側へ向けられるように立ち上がり部を有している。この立ち上がり部は、吸気弁側に向くと共に点火プラグへ向けて延びる。

特開２００７−１９２１８６号公報

ところで、内燃機関の燃費向上などの観点から、より一層、ピストンの冠面つまり頂面の形状を最適化することが望まれている。特に、筒内噴射式の内燃機関では、成層燃焼時と均質燃焼時とがあり、燃焼室でそれぞれに適した流体の流れをより適切に生じさせることができれば、内燃機関の燃費をより改善できるに違いない。

そこで、本発明はかかる点に鑑みて創案されたものであり、その目的は、筒内噴射式の内燃機関において、成層燃焼のための好適な流体の流れと均質燃焼のための好適な流体の流れとを共に実現することにある。

本発明の一態様によれば、気筒内へ直接に燃料を噴射する燃料噴射弁であって、吸気側に配置され、吸気側から排気側に向けると共に前記気筒の中心軸線の方向に向けて燃料を噴射するように位置づけられている、燃料噴射弁と、前記気筒内に摺動可能に設けられるピストンであって、該ピストンの頂面に形成された凹部は吸気タンブル流を維持するように所定方向において湾曲形状を有し、前記凹部には、吸気側を向く吸気側傾斜面と排気側を向く排気側傾斜面とを有する凸部が形成され、前記燃料噴射弁から噴射された燃料の進行方向を点火プラグ方向に変えるように前記吸気側傾斜面は前記凹部から立ち上がる、ピストンとを備えた、内燃機関が提供される。
好ましくは、この内燃機関は、
気筒内へ直接に燃料を噴射する燃料噴射弁であって、吸気側に配置され、吸気側から排気側に向けると共に前記気筒の中心軸線の方向に向けて燃料を噴射するように位置づけられていて、冷間始動時に吸気行程および圧縮行程後期のそれぞれで燃料を噴射する分割噴射を行うようにまたは冷間始動時に圧縮行程後期に全ての燃料を噴射するように制御され、該圧縮行程後期における燃料噴射は所定の時期に行われる、燃料噴射弁と、
前記気筒内に摺動可能に設けられるピストンと、
該ピストンに対向する位置に配置された点火プラグと
を備え、
該ピストンの頂面に形成された凹部は吸気タンブル流を維持するように所定方向において湾曲形状を有し、前記凹部には、吸気側を向く吸気側傾斜面と排気側を向く排気側傾斜面とを有する凸部が形成され、圧縮行程後期の前記所定の時期に前記燃料噴射弁から噴射された燃料の進行方向を前記点火プラグの方向に変えるように前記吸気側傾斜面は前記凹部から立ち上がり、
前記ピストンの中心軸線を含み吸気側から排気側に延びる第１平面を定義し、かつ、前記ピストンの中心軸線に直交すると共に前記吸気側傾斜面の該第１平面上での凹部側端部を通る第２平面を定義するとき、
圧縮行程後期の前記所定の時期において、前記燃料噴射弁の噴霧中心軸線と前記凹部の表面との第１交点と、前記第１平面における前記凸部の前記吸気側傾斜面に沿うように定められる線と前記第２平面との第２交点との間の距離が０より大きくかつ前記気筒のボア径の４分の１以下の範囲内にあり、圧縮行程後期の前記所定の時期において前記第１交点は前記第２交点よりも吸気側に位置し、
圧縮行程後期の前記所定の時期における、前記第１平面において前記吸気側傾斜面に沿うように定められる前記線と前記点火プラグのギャップ中心との間の距離が所定距離範囲内にあるように前記吸気側傾斜面は形成されていて、
圧縮行程後期の前記所定の時期における前記距離は、１気筒当たりの排気量、および、圧縮行程後期の前記所定の時期に前記燃料噴射弁から噴射する燃料の１サイクルでの全燃料に対する割合である圧縮行程噴射割合と関係を有し、
該圧縮行程噴射割合は０より大きく１以下の値であり、
圧縮行程後期の前記所定の時期における前記距離をαｍｍ、１気筒当たりの排気量をＶｃｃ、圧縮行程噴射噴割合をｋｉｎｊｃとしたとき、前記距離は以下の式の関係を満たす、
１＋０．０１×ｋｉｎｊｃ×Ｖ≦α≦４＋０．０２５×ｋｉｎｊｃ×Ｖ
内燃機関である。

前記燃料噴射弁は前記気筒の中心軸線と交差する方向に関して扇形状に広がる燃料噴霧を前記気筒内に噴射するように構成され、前記ピストンの前記凹部は、前記燃料噴射弁の噴霧中心軸線と略平行に延びる吸気側端部に位置する傾斜面であって圧縮行程における所定の時期に前記燃料噴射弁から噴射された燃料が該凹部に直接的に到達するように位置づけられた傾斜面を備えるとよい。

前記ピストンの中心軸線を含み吸気側から排気側に延びる第１平面を定義するとき、該第１平面において、前記吸気側傾斜面に沿うように定められる線が前記ピストンの前記中心軸線と成す角度が所定角度範囲内にあるように、前記吸気側傾斜面の傾きは設定されているとよい。

圧縮行程における所定の時期に前記燃料噴射弁から燃料を噴射するときにおける、前記第１平面において前記吸気側傾斜面に沿うように定められる線と前記点火プラグのギャップ中心との間の距離が所定距離範囲内にあるように前記吸気側傾斜面は形成されているとよい。

前記距離は、前記気筒の排気量が大きい程、または、圧縮行程における前記所定の時期における前記燃料噴射弁からの燃料噴射割合が多い程、長くなるように定められるとよい。

前記距離をα（ｍｍ）、１気筒当たりの排気量をＶ（ｃｃ）、圧縮行程の前記所定の時期における前記燃料噴射弁からの燃料噴射噴割合をｋｉｎｊｃとしたとき、前記距離は以下の式の関係を満たすとよい。

１＋０．０１×ｋｉｎｊｃ×Ｖ≦α≦４＋０．０２５×ｋｉｎｊｃ×Ｖ
前記ピストンの中心軸線を含み吸気側から排気側に延びる第１平面を定義するとき、前記第１平面における前記凸部の高さの前記気筒のボア径に対する比が０．０４以上、かつ、０．０８以下の範囲内にあるように、前記凸部は構成されているとよい。

前記凸部の幅の前記気筒のボア径に対する比が０．４以上、かつ、０．７以下の範囲内にあるように、前記凸部は構成されているとよい。

前記ピストンの中心軸線を含み吸気側から排気側に延びる第１平面を定義するとき、第１平面における前記凸部の幅の前記凸部の高さに対する比が８以上、かつ、２５以下の範囲内にあるように、前記凸部は構成されているとよい。

前記ピストンの中心軸線を含み吸気側から排気側に延びる第１平面を定義するとき、圧縮行程における所定の時期に前記燃料噴射弁から燃料を噴射するときにおける、前記燃料噴射弁の噴霧中心軸線と前記凹部の表面との交点と、前記第１平面において前記凸部の前記吸気側傾斜面に沿うように定められる線と前記ピストンの中心軸線に直交するように定められる平面であって前記吸気側傾斜面の凹部側端部を通る平面との交点との間の距離が０より大きくかつ前記気筒のボア径の４分の１以下の範囲内にあるように、前記凸部は位置づけられているとよい。

前記ピストンの中心軸線を含み吸気側から排気側に延びる第１平面を定義するとき、前記第１平面上において前記凸部の前記吸気側傾斜面に沿うように定められる線が前記燃料噴射弁の噴霧中心軸線となす角度は略９０°であり、前記吸気側傾斜面における前記凹部につながる部分の曲率半径は前記第１平面における前記凸部の高さより小さく、該凸部の高さの４分の１よりも大きいとよい。

前記ピストンの中心軸線を含み吸気側から排気側に延びる第１平面を定義するとき、前記第１平面は前記凸部の中央部を通り、前記凸部の両端部のそれぞれは前記第１平面から離れ、前記凸部の前記吸気側傾斜面は、前記ピストンの上面視で、その中央部が最も排気側に位置し、該中央部からその端部に至るにしたがって吸気側に近づくように形成されているとよい。

前記ピストンの中心軸線を含み吸気側から排気側に延びる第１平面を定義するとき、前記第１平面は前記凸部の中央部を通り、前記凸部の両端部のそれぞれは前記第１平面から離れ、前記凸部の前記端部の高さは、前記凸部の前記中央部の高さに等しいまたは前記中央部の高さよりも低いとよい。

前記ピストンの中心軸線を含み吸気側から排気側に延びる第１平面を定義するとき、前記第１平面において、前記排気側傾斜面が、前記ピストンの中心軸線に直交するように定められる平面であって前記吸気側傾斜面の凹部側端部を通る平面となす角度は３０°以下かつ０°以上に定められているとよい。

前記吸気側傾斜面と前記排気側傾斜面との間の辺稜部は、０．５ｍｍ以上の曲率半径を有するように形成されているとよい。

本発明に係る実施形態が適用された内燃機関の概略図である。 図１の内燃機関のピストンの頂面図である。 図１の内燃機関のピストンの、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面模式図である。 図１の内燃機関のピストンの、図３のＩＶ領域の拡大模式図である。 本発明に係る内燃機関に関する、実験結果を表したグラフである。 本発明に係る内燃機関に関する、実験結果を表したグラフである。 本発明に係る内燃機関に関する、実験結果を表したグラフである。 本発明に係る内燃機関に関する、実験結果を表したグラフである。 本発明に係る内燃機関に関する、実験結果を表したグラフである。

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具体的に説明する。

図１は、本発明の実施形態が適用された内燃機関１０を示す概略構成図である。同図に示される内燃機関１０は、シリンダブロック１２に形成された燃焼室１４の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、気筒１６内でピストン１８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１０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１０は、例えば４気筒エンジンとして構成される。

各燃焼室１４に臨む吸気ポートは、吸気マニホールド２０に接続されている。この吸気マニホールド２０上流側には、順に、サージタンク２２および吸気管２４が接続されている。吸気管２４は、エアクリーナ２６を介して図示されない空気取入口に接続されている。そして、吸気管２４の中途（サージタンク２２とエアクリーナ２６との間）には、スロットルバルブ（本実施形態では、電子制御式スロットルバルブ）２８が組み込まれている。それら、例えば吸気ポート、吸気マニホールド２０、吸気管２４のそれぞれは、吸気通路２９の一部を区画形成する。

他方、各燃焼室１４に臨む排気ポートは、排気マニホールド３０に接続され、この排気マニホールド３０には下流側に排気管３２が接続されている。排気管３２には、三元触媒を含む前段触媒装置３４およびＮＯｘ吸蔵還元触媒を含む後段触媒装置３６が接続されている。それら、例えば排気ポート、排気マニホールド３０、排気管３２のそれぞれは、排気通路３８の一部を区画形成する。

内燃機関１０のシリンダヘッドには、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１４ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは、可変バルブタイミングおよび／または可変リフト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。さらに、内燃機関１０は、気筒数に応じた数の点火プラグ４０を有し、点火プラグ４０は、対応する燃焼室１４に臨むようにシリンダヘッドに配設されている。ここでは、点火プラグ４０は気筒１６の中心軸線Ｃ上に位置するように配置されている。

さらに、内燃機関１０は、図１に示されるように、燃料噴射弁４２を有し、燃料噴射弁４２は、対応する燃焼室１４に臨むようにシリンダヘッドに配設されている。燃料噴射弁４２は、吸気側に配置され、吸気側から排気側に向けると共に気筒１６の中心軸線Ｃの方向に向けて燃料を噴射するように位置づけられている。なお、内燃機関１０は、４バルブ形式のエンジンとして構成されていて、１気筒当たり２つの吸気弁Ｖｉを備えていて、燃料噴射弁４２は各気筒において吸気弁Ｖｉ間に挟まれるように配置されている。そして、内燃機関１０では、例えば、各燃料噴射弁４２から各燃焼室１４のピストン１８の頂面１８ａに向けてガソリン等の燃料が直接噴射される。

特に、ここでは、燃料噴射弁４２は気筒１６の中心軸線Ｃと交差する方向に関して扇形状に広がる燃料噴霧（ファン噴霧）を気筒１６内に噴射するように構成されている。具体的には、燃料噴射弁４２の噴孔４２ａは、図示しないが、燃料噴射弁４２の先端部分に設けられたノズル部に形成された扁平状のスリットとして形成され、そのスリットの幅および厚さ方向の各寸法は適宜に設定されて、ファン噴霧の広がり角は所望の大きさに設定される。なお、燃料噴射弁４２の噴孔はこのような噴孔であることに限定されず、例えば、燃料噴射弁４２は気筒１６の中心軸線Ｃの方向に関して中空円錐形状に広がる燃料噴霧（ホロコーン噴霧）を噴射可能に構成されることもできる。

上述のスロットルバルブ２８、各点火プラグ４０、各燃料噴射弁４２および動弁機構等は、内燃機関１０の制御装置として実質的に機能するＥＣＵ５０に電気的に接続されている。ＥＣＵ５０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶装置および入出力ポート等を含むものである。ＥＣＵ５０には、各種センサ類がＡ／Ｄ変換器等を介して電気的に接続されていて、例えば吸入空気量を検出するためのエアフローメータ５２が接続されている。ＥＣＵ５０は、記憶装置に記憶されている各種マップ等を用いると共に各種センサからの出力信号に基づいて求められる検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、スロットルバルブ２８、点火プラグ４０、燃料噴射弁４２、動弁機構等を制御する。

図１に示されるように、ＥＣＵ５０に接続されるセンサ類には、クランク角センサ５４が含まれる。クランク角センサ５４は、クランクシャフトに固定されるロータプレート（シグナルプレート）等を含む磁気センサまたは光電式センサ等であり、クランクシャフトの回転角度を示すパルス信号を微小時間ごとにＥＣＵ５０に与える。さらに、吸気通路２９の吸気圧を検出するために吸気圧センサ５８が設けられている。ここでは、吸気圧センサ５８はサージタンク２２に設けられている。また、内燃機関１０の冷却水温を検出するための水温センサ６０が設けられている。さらに、空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）６２が排気通路３８に設けられている。Ａ／Ｆセンサ６２は、排気通路の排気ガス中の空燃比に応じた電気信号をＥＣＵ５０に出力する。ここでは、Ａ／Ｆセンサ６２は、前段触媒装置３４上流側の排気通路に設けられている。また、ここでは、前段触媒装置３４と後段触媒装置３６との間の排気通路に、Ｏ２センサ６４が設けられている。Ｏ２センサ６４は、排気ガス中の酸素濃度に応じた電気信号をＥＣＵ５０に出力する。

ＥＣＵ５０のＲＯＭは、燃料噴射制御用のルーチン、点火時期制御用のルーチン、スロットルバルブ制御用のルーチン等やそれらに用いられるマップ等のデータを記憶している。ＥＣＵ５０は、ＲＯＭ等に記憶された上記種々のルーチン等のアプリケーションプログラムに従って、燃料噴射制御、点火制御、スロットル制御等を実行する。つまり、ＥＣＵ５０は、燃料噴射制御手段、点火時期制御手段、スロットル制御手段の各機能を備える。

ＥＣＵ５０は予め定められたデータ等に基づいて所定のまたは所望の運転状態に適した燃料噴射制御、点火時期制御およびスロットル制御を実行する。例えば、冷間始動時には、ＥＣＵ５０は、触媒暖機用の制御を行う。冷間始動時か否かは水温センサ６０からの出力に基づいて求められる冷却水温が所定温度未満か否かで判定される。冷却水温が所定温度未満であるとき、冷間分割噴射モード用データに基づく燃料噴射制御が行なわれ、具体的には吸気行程および圧縮行程のそれぞれで燃料噴射弁４２から燃料を噴射する分割噴射が行なわれる。当該分割噴射における、圧縮行程での燃料噴射は、ここでは、圧縮行程後期、特に、ピストン１８が燃料噴射弁４２に対して所定の位置にある所定の時期に、実行される。これにより、後述するようにピストン１８によって噴射燃料の進行方向が変えられて、噴射燃料を点火プラグ４０周辺に集めることが可能になる。さらに、このような触媒暖機用の分割噴射の際、点火時期が所定量遅角するように点火時期遅角制御が行われる。これにより所謂後燃えが生じ、この作用で排気温度が上昇し、暖機促進作用が高められる。ただし、触媒暖機を行うとき、上記分割噴射に代えて、圧縮行程、例えば圧縮行程後期である上記所定の時期にのみ燃料を燃料噴射弁４２から噴射する燃料噴射制御が行われてもよい。なお、基本的に、吸気行程での燃料噴射は均質燃焼を意図し、圧縮行程での燃料噴射は成層燃焼、例えば成層希薄燃焼を意図して行われる。

ところで、ピストン１８は、タンブル流の好適な維持（減衰抑制）および点火プラグ４０への燃料の方向付けの両方に貢献するように設計および構成されている。以下に、ピストン１８について説明する。

図２はピストン１８の上面視（頂面図）であり、図３は点火プラグ４０および燃料噴射弁４２と共に表された、上記所定の時期でのピストン１８の、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面模式図であり、図４は図３のＩＶ領域の拡大模式図である。図２では図中右側に吸気側が位置し、図中上下方向にピストンピン孔の軸線を含む平面Ｐが延びるようにピストン１８が表されている。平面Ｐはピストン１８の中心軸線Ｏを含むように定められていて、図２中右側は吸気側、図２中左側は排気側と称される。また、平面Ｐに直交すると共にピストン１８の中心軸線Ｏを含んで延びるような平面が第１平面Ｑとして定義される。第１平面Ｑは、吸気側から排気側にまたは排気側から吸気側に延びる平面であり、図３は第１平面Ｑにおけるピストン１８の断面図に相当する。ただし、ピストン１８の頂面１８ａには、吸気弁Ｖｉとの干渉を避けるために吸気弁リセス１８ｂが凹設されている。なお、ピストン１８の頂面１８ａに、排気弁Ｖｅとの干渉を避けるための排気弁リセスが凹設されてもよい。

気筒１６内に摺動可能に設けられるピストン１８には、その頂面１８ａに凹部（キャビティ）７０が形成されている。凹部７０は、吸気タンブル流を維持するように所定方向において連続的な形状を有するように形成されている。凹部７０は、吸気側から排気側に向く方向または排気側から吸気側に向く方向において、つまり、第１平面Ｑに略平行な方向において実質的に滑らかに延びる、湾曲形状を有する。このような湾曲形状を有する凹部７０の表面である窪み面７０ａは、したがって、流体の円滑な流れを保つのに貢献し、例えば燃料噴射弁４２から噴射された燃料を滑らかに流すことができる。また、窪み面７０ａは、そのような形状を有するので、吸気通路２９を介して燃焼室１４に導かれた流体の流れを阻害せず、結果として吸気タンブル流が望まれるとき、良好に吸気タンブル流を維持することができる。

さらに、そのような窪み面７０ａの略中央につまりその縁部から離れて位置するように凸部７２がピストン１８の頂面１８ａに形成されている。凸部７２は、窪み面７０ａからシリンダヘッド側に向けて突出するように設けられている。凸部７２は、吸気弁Ｖｉや燃料噴射弁４２が配置されている吸気側を向く吸気側傾斜面７２ａと、排気弁Ｖｅが配置されている排気側を向く排気側傾斜面７２ｂと、それらの間に延在する交差部（辺稜部）７２ｃとを備える。凸部７２は、第１平面Ｑにおいて略断面三角形状を有し（図３参照）、全体的に略断面三角形状を有し得る。後述するように、凸部７２の吸気側傾斜面７２ａは主に圧縮行程で燃料噴射弁４２から噴射された燃料を点火プラグ４０方向に向けることに寄与するように構成され、排気側傾斜面７２ｂは主に気筒１６内つまり燃焼室１４での吸気タンブル流の形成および維持に寄与するように構成されている。

このような凸部７２の表面は、窪み面７０ａに滑らかに連続するように形成されていて、凸部７２の周囲には窪み面７０ａが延在する。なお、凸部７２の吸気側傾斜面７２ａは、圧縮行程後期などピストン１８が上死点近くに位置する上記所定の時期に、燃料噴射弁４２の噴孔４２ａに実質的に対向するように形成されている。

凹部７０に設けられた凸部７２の吸気側傾斜面７２ａは燃料噴射弁４２から噴射された燃料の方向を点火プラグ４０方向に変えるように凹部７０の吸気側に拡がる窪み面７０ａの吸気側部分から滑らかに立ち上がる立ち上がり面を含む。特に、ＥＣＵ５０が圧縮行程後期の上記所定の時期に燃料噴射弁４２から燃料噴射を行うように燃料噴射制御を行うとき（図３参照）、その噴射された燃料つまり噴霧Ｆの進行方向を点火プラグ４０に向けるように形成されている。

そして、圧縮行程後期に成層燃焼のために燃料噴射弁４２から噴射された燃料がより好適に凹部７０に到達して凸部７２の吸気側傾斜面７２ａによって点火プラグ４０方向に向けられるように、凹部７０の吸気側に拡がる窪み面７０ａの吸気側部分は形付けられている。ピストン１８の凹部７０は、燃料噴射弁４２の噴霧中心軸線Ｄの方向（噴霧方向）と略平行に延びる吸気側端部に位置する傾斜面７０ｂを備え、該傾斜面７０ｂは少なくとも圧縮行程における上記所定の時期に燃料噴射弁４２から噴射された燃料が直接的に到達するように位置づけられている（図２、３参照）。このような傾斜面７０ｂは、本実施形態の場合、２つの吸気弁リセス１８ｂに挟まれるように延在する（図２参照）。

凸部７２は、全体的には面Ｐに略平行に延在するが、図２の上面視において略弧状であり、全体的に吸気側に開くように形づくられている。ここでは、図２から明らかなように、第１平面Ｑは凸部７２の中央部７２ｄを通り、凸部７２の両端部７２ｅはそれぞれ第１平面Ｑから離れて位置する。そして、凸部７２の吸気側傾斜面７２ａは、ピストン１８の上面視で、その中央部が最も排気側に位置し、該中央部からその端部に至るにしたがって吸気側に近づくように形成されている。これにより、吸気側傾斜面７２ａは、よりいっそう、燃料噴射弁４２から噴射された燃料を適切に受けて、該燃料を点火プラグ４０方向に向けて、点火プラグ４０周りに適切に集めることができる。

また、凸部７２の吸気側傾斜面７２ａの傾きはそのような点火プラグ４０周囲への燃料の集中を適切に可能にするように設定されている。吸気側傾斜面７２ａの傾きは、ピストンの中心軸線Ｏを基準にして定めることができる。ピストン１８の中心軸線Ｏに直交する平面であって第１平面Ｑにおける吸気側傾斜面７２ａの窪み面７０ａからの立ち上がり部つまり凹部側端部Ａを通る平面を第２平面Ｒとして定義するとき、この第２平面Ｒに対する吸気側傾斜面７２ａの角度を吸気側傾斜面７２ａの傾斜角度θ１（図４参照）として用いることができる。この傾斜角度θ１はここでは吸気側傾斜角度と称され得、特に第１平面Ｑにおいて定められ得る（図４参照）。この傾斜角度θ１は所定角度範囲内に設定される。

加えて、凸部７２の吸気側傾斜面７２ａの傾きは、燃料噴射弁４２の噴霧中心軸線Ｄに対して関係付けられている。具体的には、ここでは、第１平面Ｑ上において吸気側傾斜面７２ａに沿うように定められる線Ｌ１が燃料噴射弁４２の噴霧中心軸線Ｄとなす角度φが略９０°をなすように吸気側傾斜面７２ａの傾斜角度は定められている。これは、点火プラグ４０側へより適切に燃料を方向付けるためである。そして、そのような噴射燃料の方向の変化をより好適に生じさせるために、吸気側傾斜面７２ａにおける凹部７０につながる部分、つまり窪み面７０ａと吸気側傾斜面７２ａとの結合部７２ｆの曲率半径は、第１平面Ｑにおける凸部７２の高さより小さく、凸部７２の高さの４分の１よりも大きい範囲内で設定される。なお、凸部７２の高さｈに関しては後述される。

このような凸部７２の吸気側傾斜面７２ａと凹部７０の窪み面７０ａとの作用により、例えば、圧縮行程において燃料噴射を行ったとき、点火プラグ４０周囲に燃料を適切に集めることが可能になる。したがって、成層燃焼を適切に生じさせることができ、燃費・出力性能を向上させることができる。なお、上記したように、燃料は適切に点火プラグ４０方向に流されるので、ピストン１８に燃料が付着して排気エミッションが悪化することを避けることができる。

他方、凸部７２は、気筒１６内つまり燃焼室４２での吸気タンブル流の形成および維持にも貢献するように構成されている。吸気タンブル流は、ピストン１８の頂面１８ａに沿って主に排気側から吸気側に流れる流れを含み得る。このような流れが凸部７２で剥離せず、凹部７０の表面を這うように維持されることで、吸気タンブル流を維持することが可能になる。

具体的には、排気側傾斜面７２ｂの傾きは、所定角度範囲内に設定されている。特に、排気側傾斜面７２ｂの傾斜角度は、ピストン１８の中心軸線Ｏを基準として定められ得、第２平面Ｒに対する排気側傾斜面７２ｂに沿うように定められる線Ｌ２の角度を排気側傾斜面７２ｂの傾斜角度θ２（図４参照）として用いることができる。この傾斜角度θ２はここでは排気側傾斜角度と称され得、特に第１平面Ｑにおいて定められ得る（図４参照）。この傾斜角度θ２は所定角度範囲内に設定される。好ましくは、排気側傾斜角度θ２は、３０°以下かつ０°以上に定められるとよく、さらに好ましくは、３０°以下かつ１０°以上に設定される。

さらに、凸部７２はその中央部７２ｄが最も高く、端部７２ｅに至るにしたがってその高さがわずかに減少するように構成されている。つまり、凸部７２の端部７２ｅの高さは、凸部７２の中央部７２ｄの高さよりも低い。これにより、凸部７２での流体の剥離がより抑制され得、吸気タンブル流の減衰が抑制され得る。しかし、本発明は、高さが中央部７２ｄと端部７２ｅとで実質的に等しい凸部をも許容する。

なお、凸部７２の交差部７２ｃにはフィレットが設けられ、交差部７２ｃは０．５ｍｍ以上の曲率半径を有するように形成されているとよい。凸部７２での流体の剥離が抑制され、燃焼室１４での流体の流れを良好に維持するためである。

以上述べたように、ピストン１８の頂面１８ａには、凸部７２を有する凹部７０が形成される。これにより吸気タンブル流の維持と点火プラグ４０周囲への燃料の集中とが可能になり、均質燃焼および成層燃焼の好適な両立が可能になる。以下、凹部７０および凸部７２の形状、大きさ等に関する最適条件を説明する。

圧縮行程後期の上記所定の時期に成層燃焼のために燃料噴射弁４２から噴射された燃料がより好適に点火プラグ４０方向に向けられるように、吸気側傾斜面７２ａの傾きは所定の傾きに設定される。図３、４に基づいて吸気側傾斜面７２ａについて説明する。図３において、つまり第１平面Ｑにおいて、吸気側傾斜面７２ａに沿うように定められた線Ｌ１がピストン１８の中心軸線Ｏおよび／または気筒１６の中心軸線Ｃと成す角度が所定角度範囲内にあるように、吸気側傾斜面７２ａの傾きは設定されている。より具体的には、吸気側傾斜面７２ａの傾斜角度θ１は、点火プラグ４０のギャップ４０ａ中心の位置との関係で定められることができる。圧縮行程の上記所定の時期に燃料噴射弁４２から燃料を噴射するときにおける、第１平面上Ｑにおける線Ｌ１と点火プラグ４０のギャップ中心４０ａとの間の距離αは所定距離範囲内にあるように吸気側傾斜面７２ａは形成されるとよい。

距離αは、当該１の気筒１６の排気量が大きい程、または、圧縮行程後期の上記所定の時期における燃料噴射弁４２からの燃料噴射割合が多い程、長くなるように定められることができる。なお、この燃料噴射割合とは、上記したように燃料噴射制御において分割噴射を行う場合に、吸気行程での燃料噴射量と圧縮行程での燃料噴射量との合計に対する圧縮行程での燃料噴射量の割合であり、圧縮行程に全ての燃料が噴射される場合には圧縮行程における燃料噴射弁４２からの燃料噴射割合は１である。なお、ここでは、圧縮行程後期の所定の時期における燃料噴射弁４２からの燃料噴射割合は、圧縮行程噴射割合と称されることができる。具体的には、圧縮行程の上記所定の時期に燃料噴射弁４２から燃料を噴射するときにおける、第１平面上Ｑにおける線Ｌ１と点火プラグ４０のギャップ中心４０ａとの間の距離α（ｍｍ）は、（１）式の関係を満たすとよい。ただし、１気筒当たりの排気量をＶ（ｃｃ）、圧縮行程における上記所定の時期における燃料噴射弁４２からの燃料噴射割合をｋｉｎｊｃとする。
１＋０．０１×ｋｉｎｊｃ×Ｖ≦α≦４＋０．０２５×ｋｉｎｊｃ×Ｖ （１）

この（１）式の関係は、実験結果の分析により導き出されていて、その実験結果の一部が図５に示される。図５（ａ）は、所定サイクル分の図示平均有効圧Ｐｍｉの変動率（Ｐｍｉ変動率）と距離αとの関係を表したグラフであり、図５（ｂ）は排気量（ｃｃ）と圧縮行程噴射割合との積に対してＰｍｉ変動率を所望の値つまり所定の値以下にする距離αの範囲を示すグラフである。Ｐｍｉ変動率に関してのその所定の値は、燃焼安定性つまりトルク変動の観点から許容される範囲を規定するように定められ、ここでは図５（ａ）に点線で表されている。そして、図５（ａ）、（ｂ）では、エンジン回転速度およびエンジン負荷を略同じくした実験の結果が同一記号で表され、Ｐｍｉ変動率が最も小さい結果が黒印で表され、図５（ｂ）には、Ｐｍｉ変動率が所定の値以下となった結果のみが表されている。なお、図５（ｂ）に表された範囲ＡＤは、図５の結果などにより導き出された望ましい範囲である上記（１）式の関係を満たす範囲に相当する。また、図５（ａ）に結果が表された実験では、吸気行程および圧縮行程のそれぞれで燃料噴射弁４２から燃料を噴射し、圧縮行程での燃料噴射割合を０．５とした。また、当該実験では、１気筒当たりの排気量が５００ｃｃの内燃機関を用いた。そして、各実験では、実験中、エンジン回転速度を所定回転速度で略一定とし、エンジン負荷も所定負荷で略一定とした。このような実験結果に基づいて、Ｐｍｉ変動率が所定の値以下となる範囲として、上記（１）式の関係が導き出された。

さらに、凸部７２の形状および大きさは、タンブル流の好適な維持および点火プラグ４０への燃料の方向付けの両立を可能にするように、細かく定められるとよい。凸部７２の形状および大きさについて、さらに説明する。

第１平面Ｑにおける凸部７２つまり吸気側傾斜面７２ａの高さ（凸部高さ）ｈの気筒１６のボア径Ｂに対する比が０．０４以上、かつ、０．０８以下の範囲になるように、凸部７２つまり吸気側傾斜面７２ａは構成されることが望ましい。この範囲は実験により導き出され、その範囲が図６のグラフに基づいて説明される。ただし、図４に表されるように、第１平面Ｑにおける高さｈとは、第１平面Ｑにおける窪み面７０ａと凸部７２との境界部Ａを通る平面つまり第２平面Ｒと、凸部７２の交差部７２ｃとの間の、ピストン１８の中心軸線Ｏの方向における距離に相当する。

図６には、凸部高さｈ／ボア径Ｂに対する、Ｐｍｉ変動率および正味熱効率ηｅが表されている。Ｐｍｉ変動率は、上記した通りであり、分割噴射実行時の実験結果である。これに対して、正味熱効率ηｅは、均質燃焼が生じるように燃料噴射弁４２から燃料を噴射したときの値である。なお、図６の実験では、エンジン回転速度を所定回転速度で略一定とし、エンジン負荷も所定負荷で略一定とした。

図６の実験でも、Ｐｍｉ変動率が（図６（ａ）に点線で表されている）上記所定の値以下となる範囲が望ましい領域とした。その結果、０．０４以上という凸部高さｈ／ボア径Ｂの範囲が導き出された。他方、図６（ａ）からは凸部高さｈ／ボア径Ｂが０．０８を超える範囲ではＰｍｉ変動率の改善が認め難いことが分かった。また、図６（ｂ）の結果からは、凸部高さｈ／ボア径Ｂが大きくなるほど、正味熱効率ηｅは低下し、燃費は悪化する傾向を示すことが分かった。したがって、図６（ａ）、（ｂ）の関係から、燃焼安定性および燃費性能の観点から、０．０８以下という凸部高さｈ／ボア径Ｂの範囲が導き出された。なお、より好ましくは、凸部高さｈ／ボア径Ｂは図６にプロットされた結果に相当する０．０６５以下の範囲である。

さらに、凸部７２の幅（凸部幅）ｗ（図２参照）の気筒１６のボア径Ｂに対する比が０．４以上、かつ、０．７以下の範囲にあるように、凸部７２は構成されることが望ましい。この範囲は実験により導き出され、その範囲が図７のグラフに基づいて説明される。

図７には、凸部幅ｗ／ボア径Ｂに対する、Ｐｍｉ変動率および正味熱効率ηｅが表されている。Ｐｍｉ変動率および正味熱効率ηｅは、上記した通りである。なお、図７の実験では、エンジン回転速度を所定回転速度で略一定とし、エンジン負荷も所定負荷で略一定とした。

図７の実験でも、Ｐｍｉ変動率が（図７（ａ）に点線で表されている）上記所定の値以下となる範囲が望ましい領域とした。その結果、０．４以上という凸部幅Ｗ／ボア径Ｂの範囲が導き出された。他方、図７（ａ）からは凸部幅ｗ／ボア径Ｂが０．７を超える範囲ではＰｍｉ変動率の改善が認め難いことが分かった。また、図７（ｂ）の結果からは、凸部幅ｗ／ボア径Ｂが大きくなるほど、正味熱効率ηｅは低下し、燃費は悪化する傾向を示すことが分かった。したがって、図７（ａ）、（ｂ）の関係から、燃焼安定性および燃費性能の観点から、０．７以下という凸部幅ｗ／ボア径Ｂの範囲が導き出された。

さらに、第１平面Ｑにおける凸部７２の幅ｗの凸部７２の高さｈに対する比が８以上、かつ、２５以下の範囲内にあるように、より好ましくは、８以上、かつ、２２以下の範囲にあるように、凸部７２は構成されることが望ましい。この範囲は実験により導き出され、その範囲が図８のグラフに基づいて説明される。

図８には、凸部幅ｗ／高さｈに対して、Ｐｍｉ変動率および正味熱効率ηｅが表されている。Ｐｍｉ変動率および正味熱効率ηｅは、上記した通りである。なお、図８の実験では、エンジン回転速度を所定回転速度で略一定とし、エンジン負荷も所定負荷で略一定とした。

図８の実験でも、Ｐｍｉ変動率が（図８（ａ）に点線で表されている）上記所定の値以下となる範囲が望ましい領域とした。その結果、実験範囲（図８に表した範囲である６以上かつ２５以下の範囲）での凸部幅ｗ／高さｈに対するＰｍｉ変動率は全般的に良好であった。他方、図８（ｂ）の結果からは、凸部幅ｗ／高さｈが８未満の領域では、正味熱効率ηｅが低下する傾向を示すことが分かった。したがって、図８（ａ）、（ｂ）の関係から、燃焼安定性および燃費性能の観点から、８以上という凸部幅ｗ／高さｈの範囲が導き出された。

さらに、圧縮行程における上記所定の時期に燃料噴射弁４２から燃料を噴射するときにおける、燃料噴射弁４２の噴霧中心軸線Ｄと凹部７２の窪み面７２ａとの交点Ａと、第１平面Ｑにおいて吸気側傾斜面に沿うように定められる線Ｌ１と面Ｒとの交点Ｄとの間の距離βが０より大きくかつ気筒１６のボア径の４分の１以下の範囲内にあるように凸部７２は位置づけられることが望ましい。この範囲は実験により導き出され、その範囲が図９のグラフに基づいて説明される。

図９の実験でも、Ｐｍｉ変動率が（図９（ａ）に点線で表されている）上記所定の値以下となる範囲が望ましい領域とした。その結果、距離β／ボア径Ｂが０より大きくかつ０．２５以下の範囲にあることが好ましいことが導き出された。この範囲は、距離βが、０より大きく、かつ、ボア径Ｂ／４以下の範囲にあることが好ましいことを意味する。

以上、上記したように、ピストンを構成し、該ピストンを燃料噴射弁の噴射方向と関係付けて構成することで、優れた作用効果が奏される。均質燃焼運転時においては、上記したような湾曲形状を有する凹部がピストンの頂面に形成されるので、そして、さらに凸部が上記したように形成されるので、吸気タンブル流がしっかりと維持され、好ましくは圧縮行程後期まで燃焼室に強い流動が保たれる。したがって、燃焼室での混合気均質性が向上し、燃料への点火が良好に行われる。その結果、燃焼速度の増大等が生じ、それにより熱効率および出力性能が向上する。他方、圧縮行程後期に燃料噴射を行うときには、上記したような吸気側傾斜面を有する凸部を備える凹部がピストンに形成されるので、点火プラグ近傍に適切に成層混合気を形成し、大幅な点火遅角燃焼を安定して行わせることが可能になる。したがって、排気エミッションを改善することができる。そして、これらは、ファン形状噴霧に対しても、両立できる。

以上、本発明を実施形態等に基づいて説明した。本発明はその実施形態に限定されず、本発明には、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が含まれる。

１０ 内燃機関
１８ ピストン
２９ 吸気通路
３８ 排気通路
４０ 点火プラグ
４２ 燃料噴射弁
７０ 凹部（キャビティ）
７２ 凸部
７２ａ 吸気側傾斜面
７２ｂ 排気側傾斜面
７２ｃ 交差部

Claims (11)

1. 気筒内へ直接に燃料を噴射する燃料噴射弁であって、吸気側に配置され、吸気側から排気側に向けると共に前記気筒の中心軸線の方向に向けて燃料を噴射するように位置づけられていて、冷間始動時に吸気行程および圧縮行程後期のそれぞれで燃料を噴射する分割噴射を行うようにまたは冷間始動時に圧縮行程後期に全ての燃料を噴射するように制御され、該圧縮行程後期における燃料噴射は所定の時期に行われる、燃料噴射弁と、
   前記気筒内に摺動可能に設けられるピストンと、
   該ピストンに対向する位置に配置された点火プラグと
   を備え、
   該ピストンの頂面に形成された凹部は吸気タンブル流を維持するように所定方向において湾曲形状を有し、前記凹部には、吸気側を向く吸気側傾斜面と排気側を向く排気側傾斜面とを有する凸部が形成され、圧縮行程後期の前記所定の時期に前記燃料噴射弁から噴射された燃料の進行方向を前記点火プラグの方向に変えるように前記吸気側傾斜面は前記凹部から立ち上がり、
   前記ピストンの中心軸線を含み吸気側から排気側に延びる第１平面を定義し、かつ、前記ピストンの中心軸線に直交すると共に前記吸気側傾斜面の該第１平面上での凹部側端部を通る第２平面を定義するとき、
   圧縮行程後期の前記所定の時期において、前記燃料噴射弁の噴霧中心軸線と前記凹部の表面との第１交点と、前記第１平面における前記凸部の前記吸気側傾斜面に沿うように定められる線と前記第２平面との第２交点との間の距離が０より大きくかつ前記気筒のボア径の４分の１以下の範囲内にあり、圧縮行程後期の前記所定の時期において前記第１交点は前記第２交点よりも吸気側に位置し、
   圧縮行程後期の前記所定の時期における、前記第１平面において前記吸気側傾斜面に沿うように定められる前記線と前記点火プラグのギャップ中心との間の距離が所定距離範囲内にあるように前記吸気側傾斜面は形成されていて、
   圧縮行程後期の前記所定の時期における前記距離は、１気筒当たりの排気量、および、圧縮行程後期の前記所定の時期に前記燃料噴射弁から噴射する燃料の１サイクルでの全燃料に対する割合である圧縮行程噴射割合と関係を有し、
   該圧縮行程噴射割合は０より大きく１以下の値であり、
   圧縮行程後期の前記所定の時期における前記距離をαｍｍ、１気筒当たりの排気量をＶｃｃ、圧縮行程噴射噴割合をｋｉｎｊｃとしたとき、前記距離は以下の式の関係を満たす、
   １＋０．０１×ｋｉｎｊｃ×Ｖ≦α≦４＋０．０２５×ｋｉｎｊｃ×Ｖ
   内燃機関。
2. 前記燃料噴射弁は前記気筒の中心軸線と交差する方向に関して扇形状に広がる燃料噴霧を前記気筒内に噴射するように構成され、
   前記ピストンの前記凹部は、前記凸部の前記吸気側傾斜面よりも吸気側に位置しかつ前記燃料噴射弁の噴霧中心軸線と略平行に延びる吸気側端部に位置する傾斜面であって圧縮行程後期における前記所定の時期に前記燃料噴射弁から噴射された燃料が該凹部に直接的に到達するように位置づけられた傾斜面を備え、該傾斜面は 圧縮行程後期の前記所定の時期において、前記燃料噴射弁の噴霧中心軸線と前記凹部の表面との前記第１交点よりも吸気側に延在する、請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記圧縮行程噴射噴割合は０．５または１である、請求項１または２に記載の内燃機関。
4. 前記凸部の高さは前記第２平面からの前記ピストンの軸線方向の高さとして定義され、
   前記第１平面における前記凸部の高さの前記気筒のボア径に対する比が０．０４以上、かつ、０．０８以下の範囲内にあるように、前記凸部は構成されている、請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関。
5. 前記凸部の幅は前記第１平面に直交する方向の前記凸部の長さとして定義され、
   前記凸部の幅の前記気筒のボア径に対する比が０．４以上、かつ、０．７以下の範囲内にあるように、前記凸部は構成されている、請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関。
6. 前記凸部の高さは前記第２平面からの前記ピストンの軸線方向の高さとして定義され、
   前記凸部の幅は前記第１平面に直交する方向の前記凸部の長さとして定義され、
   前記凸部の幅の前記第１平面における前記凸部の高さに対する比が８以上、かつ、２５以下の範囲内にあるように、前記凸部は構成されている、請求項１から５のいずれかに記載の内燃機関。
7. 前記凸部の高さは前記第２平面からの前記ピストンの軸線方向の高さとして定義され、
   前記第１平面上において前記凸部の前記吸気側傾斜面に沿うように定められる前記線が前記燃料噴射弁の噴霧中心軸線となす角度は略９０°であり、
   前記吸気側傾斜面は前記凹部から滑らかに立ち上がり、該滑らかに立ち上がる部分の曲率半径は前記第１平面における前記凸部の高さより小さく、該凸部の高さの４分の１よりも大きい、請求項１から６のいずれかに記載の内燃機関。
8. 前記第１平面は前記凸部の中央部を通り、前記凸部の両端部のそれぞれは前記第１平面から離れ、
   前記凸部の前記吸気側傾斜面は、前記ピストンの上面視で、その中央部が最も排気側に位置し、該中央部からその端部に至るにしたがって吸気側に近づくように形成されている、請求項１から７のいずれかに記載の内燃機関。
9. 前記凸部の高さは前記第２平面からの前記ピストンの軸線方向の高さとして定義され、
   前記第１平面は前記凸部の中央部を通り、前記凸部の両端部のそれぞれは前記第１平面から離れ、
   前記凸部の前記端部の高さは、前記凸部の前記中央部の高さに等しいまたは前記中央部の高さよりも低い、請求項１から８のいずれかに記載の内燃機関。
10. 前記第１平面において、前記排気側傾斜面が前記第２平面となす角度は３０°以下かつ１０°以上の角度である、請求項１から９のいずれかに記載の内燃機関。
11. 前記吸気側傾斜面と前記排気側傾斜面との間の辺稜部は、０．５ｍｍ以上の曲率半径を有するように形成されている、請求項１から１０のいずれかに記載の内燃機関。

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