JPH08312354A - 筒内噴射型内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、燃焼室内に燃料を直接噴射する、
筒内噴射型内燃機関に関し、低コストで且つ確実に燃焼
室内の燃料を着火させて燃焼効率を向上させるようにす
ることを目的とする。 【構成】 筒内噴射型内燃機関において、吸気ポート寄
りに凹部２５が形成されたピストン２と、凹部２５内に
向け燃料を噴射する燃料噴射弁１と、放電電極６ａが突
設された点火プラグ６とをそなえ、シリンダヘッド８に
点火プラグ６を取り付けるための取付部２８を形成し、
取付部２８の一部を燃焼室３内に突出するように形成し
て、ピストン２の上死点位置への上昇時に点火プラグ６
の放電電極６ａがピストン２の凹部２５近傍となるよう
に構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、火花点火式であり、且
つ燃焼室内に直接燃料噴射を行なう、筒内噴射型内燃機
関に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、内燃機関のうち、主にガソリ
ンを燃料とするようなガソリンエンジンの燃料供給系で
は、燃料噴射装置（インジェクタ）が広く用いられてい
る。このようなガソリンエンジンでは、コントローラ等
の制御ユニットによりインジェクタの作動が制御され、
所定のタイミングに所定量だけ燃料が吸気ポート内に噴
射される。

【０００３】そして、吸気ポート内に噴射された燃料
は、吸気行程で吸入された空気とともに燃焼室内に供給
されて空気と混合し、点火プラグにより点火されて燃焼
するのである。一方、主に軽油等を燃料とするディーゼ
ルエンジンでは、燃焼室内に直接燃料を噴射して、この
燃料を燃焼室内の圧縮空気によって自然発火させてい
る。

【０００４】ところで、上述のようなガソリンエンジン
においても燃焼室内に直接燃料噴射を行なって、機関の
応答性を改善するような筒内噴射型の内燃機関が提案さ
れている。ここで、このような筒内噴射型内燃機関につ
いて、図を用いて簡単に説明すると、図１２は上述した
ような従来より提案されている筒内噴射型の内燃機関を
示す模式的な断面図であり、図中に示す符号１はインジ
ェクタ、２はピストン、３は燃焼室、４は吸気弁、５は
排気弁、６は点火プラグ、７はシリンダブロック、８は
シリンダヘッド、９は吸気ポート、１０は排気ポートで
ある。

【０００５】この筒内噴射型内燃機関では、インジェク
タ１の噴射孔は、直接燃焼室３内に臨んで設けられてお
り、燃料は燃焼室３内に直接噴射される。また、インジ
ェクタ１は、例えば図示しないコントローラにより制御
され、インジェクタ１から適切なタイミングで燃料が適
量噴射される。そして、この燃料は、吸気弁４の上方に
略直立して設けられた吸気ポート９から吸気された空気
と燃焼室３内で混合して混合気が生成される。その後、
混合気は、燃焼室３内で点火プラグ６により着火され、
膨張（爆発）した後、排気ポート１０から排出される。

【０００６】このような筒内噴射型内燃機関では、シリ
ンダ内に縦渦流を形成してこの縦渦流中に燃料噴射を行
なうことができるので、縦渦流を燃料濃度の異なる層か
らなる層状縦渦流とすることが可能となる。そして、点
火プラグ６の位置に合わせて所要濃度（理論空燃比近傍
の燃料濃度）の混合気層を形成し、この混合気層の燃料
を点火プラグ６に供給することで、全体として極めて燃
料濃度の低い（空燃比の高い）状態での燃焼、いわゆる
層状リーン燃焼運転を行なうことができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、通常のＭＰ
Ｉ（マルチポイントインジェクション）エンジンでは、
シリンダ内に略均一な混合気が吸入されるため、通常、
圧縮行程時では点火プラグ周辺に可燃混合気が存在し
て、燃焼が効率よく行なわれる。これに対して、上述の
筒内噴射型のエンジンでは、エンジンの運転状況に応じ
て燃料噴射時期が制御されるようになっており、圧縮行
程で燃料噴射を行なうことがある。この場合、上述のよ
うな燃焼室内では混合気が空気と燃料との層状に形成さ
れ、通常の点火プラグの着火位置では、着火する時点で
点火プラグの放電電極位置に十分な濃度の可燃混合気が
存在しない場合がある。したがって、このような場合
は、燃焼効率を損なってしまうという課題がある。

【０００８】ところで、実開平４−２７１２０号公報に
は、ピストン頂面上に点火栓の下方から燃料噴射弁の下
方まで延びる凹溝を形成し、燃料噴射弁の噴射軸線に沿
う噴射燃料が鋭角に凹溝の凹状内壁面に衝突するように
凹状内壁面の形状及び燃料噴射時期を設定するようにし
た技術が開示されている。また、特開平４−２２４２２
９号公報には、ピストン頂面上に点火栓の下方から燃料
噴射弁の下方まで延びる凹溝と、点火栓下方のピストン
頂面上に凹溝の上方部に開口する凹所と、凹溝と凹所と
の間に円弧状に形成された段部とを設け、上記燃料噴射
弁からの燃料を点火栓の周囲に集めるようにした技術が
開示されている。

【０００９】しかしながら、このような技術では、いず
れもピストンに２箇所の凹部を形成しなければならず、
ピストンの表面積が大きくなってしまう。これにより、
熱損失が大きくなり、出力が低下してしまうおそれがあ
る。また、特開平６−１０６７４号公報には、燃料噴射
弁の燃料噴射方向を燃料量の異なる２方向に設定し、こ
れらの２方向に噴射される燃料量の割合を機関の負荷状
態に応じて変更するような技術が開示されている。しか
しながら、このように２方向へ噴射される燃料の割合を
細かく制御するのはかなり困難であり現実的ではないと
いう問題がある。また、特殊な燃料噴射弁が必要となる
ため、コスト増を招いてしまうという課題がある。

【００１０】本発明は、このような課題に鑑み創案され
たもので、低コストで且つ確実に燃焼室内の燃料を着火
させて燃焼効率を向上させるようにした、筒内噴射型内
燃機関を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】このため、請求項１記載
の本発明の筒内噴射型内燃機関は、燃焼室内に直接燃料
が噴射される筒内噴射型内燃機関において、頂面の吸気
ポート寄りに凹部が形成されたピストンと、該凹部内に
向け燃料を噴射する燃料噴射弁と、該燃料噴射弁により
噴射された燃料を燃焼させるべく放電を行なう放電電極
が突設された点火プラグとをそなえ、該シリンダヘッド
に該点火プラグを取り付けるための取付部が形成され、
該取付部の一部がシリンダヘッドの燃焼室形成面よりも
該燃焼室内に突出するように形成されて、該ピストンの
上死点位置への上昇時に該点火プラグの該放電電極が該
ピストンの凹部近傍となるように配設されていることを
特徴としている。

【００１２】また、請求項２記載の本発明の筒内噴射型
内燃機関は、上記請求項１記載の構成に加えて、該シリ
ンダヘッドの燃焼室形成面において、該取付部の周囲に
肉盛り部が形成されていることを特徴としている。ま
た、請求項３記載の本発明の筒内噴射型内燃機関は、上
記請求項１又は２記載の構成に加えて、該点火プラグの
該放電電極位置が、該ピストンの上死点位置上昇時にお
いて該ピストンに形成された該凹部内となるように配設
されていることを特徴としている。

【００１３】また、請求項４記載の本発明の筒内噴射型
内燃機関は、上記請求項１〜３のいずれかに記載の構成
に加えて、該取付部の一部がシリンダヘッドの燃焼室形
成面よりも該燃焼室内に突出するように形成されるとと
もに、該点火プラグの該放電電極が、点火プラグ本体か
ら突出することにより、該ピストンの上死点位置への上
昇時に該点火プラグの該放電電極が該ピストンの凹部近
傍となるように配設されていることを特徴としている。

【００１４】

【作用】上述の請求項１記載の本発明の筒内噴射型内燃
機関では、シリンダヘッドに形成された取付部に取り付
けられた燃料噴射弁により燃料が直接燃焼室内に噴射さ
れる。このとき、燃料はピストンの頂面の吸気ポート寄
りに形成された凹部に向け噴射される。また、放電電極
が突設された点火プラグが、一部がシリンダヘッドの燃
焼室形成面よりも燃焼室内に突出した取付部に取り付け
られているので、ピストンが上死点位置へ上昇すると、
点火プラグの放電電極がピストンの凹部近傍となり、点
火プラグにより放電が行なわれると凹部内に存在する濃
度の濃い燃料に確実に着火するようになる。これによ
り、燃焼効率が向上して、出力と燃費との両立を図るこ
とができる。

【００１５】上述の請求項２記載の本発明の筒内噴射型
内燃機関では、シリンダヘッドの燃焼室形成面の取付部
の周囲に形成された肉盛り部により、点火プラグの外周
部の燃焼室内への露出が抑制される。これにより、点火
プラグへのカーボン等の付着が防止されて点火プラグの
交換等の作業が容易なものとなる。また、点火プラグの
下部が肉盛り部により保護されることで、点火プラグ自
体の耐久性も向上する。さらに、点火プラグに加わる熱
を肉盛り部を介してシリンダヘッドに逃がすことができ
熱に対する耐久性をも向上させる。

【００１６】上述の請求項３記載の本発明の筒内噴射型
内燃機関では、ピストンの上死点位置上昇すると、ピス
トンに形成された凹部内に点火プラグの放電電極が位置
するので、凹部内に存在する濃度の濃い燃料に確実に着
火するようになる。これにより、やはり燃焼効率が向上
して、出力と燃費との両立を図ることができる。上述の
請求項４記載の本発明の筒内噴射型内燃機関では、一部
がシリンダヘッドの燃焼室形成面よりも燃焼室内に突出
するように取付部を形成し、点火プラグ本体から放電電
極を突出させることで、ピストンの上死点位置への上昇
時に点火プラグの放電電極がピストンの凹部近傍とな
り、やはり燃焼室内の燃料を確実に着火させるのであ
る。

【００１７】

【実施例】以下、図面により、本発明の実施例について
説明する。まず、本発明の第１実施例としての筒内噴射
型内燃機関について説明すると、図１はその燃焼室の構
成を示す模式的な断面図、図２（ａ）〜（ｃ）はその要
部としてのピストンの形状を示す模式図、図３はそのピ
ストンの頂面とシリンダヘッドの下面との相対的な位置
関係を示す図、図４はその燃焼室の全容積とピストンの
凹部の容積と比を説明するための模式図、図５（ａ），
（ｂ）はいずれもそのピストンの凹部形状の容積比の変
化に伴う機関の特性の変化を説明するためのグラフ、図
６（ａ）〜（ｃ），図７（ａ）〜（ｃ）はいずれもその
ピストンの凹部形状の他の例を示す模式図、図８，図９
はいずれもその作用を説明するためのグラフ、図１０は
その燃焼室の形状の差による燃費及びＨＣ排出量の変化
特性を示すグラフである。

【００１８】図１に示すように、このエンジンの燃焼室
３は、シリンダヘッド８の下面とピストン２の頂面とに
より形成されており、燃焼室３の上面の一方の側には吸
気弁４が、又他方の側には排気弁５が配設されている。
また、シリンダヘッド８の下面、即ち燃焼室３の上面の
うち、吸気弁４の配設された側には、燃焼室３の頂部か
ら端部に向かって傾斜するような吸気弁側傾斜下面８ａ
が形成されており、排気弁５の配設された側には排気弁
側傾斜下面８ｂが形成されている。

【００１９】そして、これらの傾斜下面８ａ，８ｂによ
り燃焼室３の上面側は、図１に示すようなペントルーフ
形状に形成されている。また、シリンダヘッド８には燃
料噴射弁（以下、単にインジェクタという）１が取り付
けられている。このインジェクタ１は、その先端側が燃
焼室３に臨むように配設されており、このインジェクタ
１により燃焼室３内に直接燃料が噴射されるようになっ
ている。

【００２０】また、燃焼室３の下面を形成するピストン
２の頂面には、吸気弁側傾斜下面８ａ及び排気弁側傾斜
下面８ｂにそれぞれ対応して、ピストン２の中心側に向
かって傾斜した吸気弁側傾斜上面２ａ及び排気弁側傾斜
上面２ｂが形成されており、これらの傾斜上面２ａ，２
ｂにより、ピストン２の頂面がペントルーフ形状にほぼ
沿うような山型に形成されている。

【００２１】そして、このピストン２の吸気弁側傾斜上
面２ａには、図１及び図２（ａ）〜（ｃ）に示すような
凹部（以下、単にキャビティという）２５が形成されて
いる。このキャビティ２５は、下に凸状に彎曲した球面
状に形成されたものであり、ピストン２の吸気弁４側の
上部に中心を有する仮想球面２５ａの一部として形成さ
れている。

【００２２】また、図示はしないが、燃焼室３に開口す
る吸気ポート（図１２参照）は吸気弁４の上方に略直立
するように延設されており、この吸気ポートを介して吸
気流が燃焼室３に取り入れられると、吸気流は下方のピ
ストン２に向かって流れた後、ピストン２のキャビティ
２５に沿って案内されて上向きに流れてタンブル流（縦
渦流）を形成するようになっている。

【００２３】ところで、このキャビティ２５の容積の設
定は、エンジン性能に与える影響が大きく、例えばキャ
ビティ２５の容積が燃焼室３の全容積に対して大きすぎ
ると、図５（ａ）のグラフに示すように、層状燃焼を行
なうには有利であるが、燃焼室３の表面積が大きくなり
熱損失が大きくなってしまう。そして、これにより燃費
が向上するものの、図５（ｂ）のグラフに示すように、
最高出力や最大トルクが低下してしまうことが考えられ
る。

【００２４】また、キャビティ２５の容積が燃焼室３の
全容積に対して小さすぎると、図５（ｂ）のグラフに示
すように、最高出力や最大トルクは向上するが、キャビ
ティ２５内で十分なタンブル流を形成することができ
ず、図５（ａ）のグラフに示すように、燃費の低下を招
いてしまう。そこで、本発明の筒内噴射型内燃機関で
は、機関の出力性能と燃費性能とを両立させるべく、燃
焼室３全体の容積に対してキャビティ２５の容積が所定
の割合の比となるように設定されている。

【００２５】ここで、この容積比の設定について図４を
用いて説明すると、キャビティ２５の容積をＶａ、ピス
トン２が上死点位置にあるときの吸気弁側傾斜下面８ａ
と吸気弁側傾斜上面２ａとの間の容積をＶｂ、又ピスト
ン２が上死点位置にあるときの排気弁側傾斜下面８ｂと
排気弁側傾斜上面２ｂとの間の容積をＶｃとすると、
（Ｖａ＋Ｖｂ）／（Ｖａ＋Ｖｂ＋Ｖｃ）の値が、０．４
〜０．６の間になるように設定されている。

【００２６】そして、このように、キャビティ２５の容
積比を所定値に設定することにより、燃費の向上と出力
の向上とをバランス良く達成することができるのであ
る。ところで、この凹部２５の形状としては、球面状の
キャビティに限らず、例えば図６（ａ）〜（ｃ）や図７
（ａ）〜（ｃ）に示すような、断面が略長方形のキャビ
ティ２５Ａ，２５Ｂも考えられるが、このような形状の
キャビティ２５Ａ，２５Ｂでは、燃費や出力の面で多少
不利となる。

【００２７】そこで、本発明の筒内噴射型内燃機関で
は、キャビティ２５の形状を、図２（ａ）〜（ｃ）に示
すような球面状に形成しているのであるが、このような
球面形状のキャビティ２５によれば、ピストン２のキャ
ビティ容積Ｖａに対するキャビティ表面積を最小にする
ことができる利点がある。そして、このようにキャビテ
ィ表面積を最小にすることで、熱損失を小さくすること
ができ、燃焼効率を向上させることができるのである。

【００２８】さらには、キャビティ２５を球面状に形成
することで、燃焼室３内に吸気流による渦状の流れ、即
ちタンブル流を形成し易いという利点もある。また、上
述の仮想球面２５ａは、図１に示すように、ピストン２
の中心軸における断面において、ピストン２の頂点及び
ピストン２の吸気弁側傾斜上面２ａの下端がキャビティ
２５内に包含されるように設定されている。

【００２９】また、ピストン２が上死点位置に達した時
に、インジェクタ１の噴射口と吸気弁４の弁体とがそれ
ぞれ仮想球面２５ａ内に位置するように、インジェクタ
１，吸気弁４及び仮想球面２５ａの位置関係が設定され
ている。そして、このようにインジェクタ１や吸気弁４
を配設することで、着火時には、確実にキャビティ２５
内の燃料濃度が濃い状態となるようになっている。

【００３０】さて、このような筒内噴射型内燃機関で
は、エンジンの運転状況に応じて図示しないコントロー
ラによりインジェクタ１の燃料噴射時期や燃料噴射量が
制御されるようになっており、エンジンの運転状況によ
っては、圧縮行程で燃料噴射が行なわれる。この場合、
燃焼室３内では混合気が空気と燃料との層状に形成さ
れ、燃料（図１中、網かけ部分）は、キャビティ２５内
に比較的多く存在する。したがって、燃焼室内に略均一
の混合気が存在するような通常の内燃機関と異なり、通
常の内燃機関用の点火プラグでは、十分な濃度の可燃混
合気が存在する位置まで電極が届かず、燃焼効率を低下
させてしまうことが考えられる。

【００３１】そこで、本発明の筒内噴射型内燃機関で
は、燃料を確実に燃焼させるために点火プラグ６の配設
位置や電極６ａの長さが燃料の燃焼に最適となるように
設定されている。すなわち、ピストン２の上死点位置へ
の上昇時には、ピストン２と点火プラグ６との干渉を避
けながらも点火プラグ６の電極６ａが確実にキャビティ
２５側に位置するように、点火プラグ６の中心軸をシリ
ンダ中心軸ＣＬに対して排気弁５側に所定角度θだけ傾
けて点火プラグ６を配設しているのである。

【００３２】また、シリンダヘッド８には、点火プラグ
６取り付けるための点火プラグ取付部２８が形成され、
点火プラグ取付部２８には点火プラグ６の取付位置を規
制するための点火プラグ取付面２７が形成されている
が、この取付面２７も従来の内燃機関に対して所定量Ｄ
１（例えばＤ１＝２ｍｍ）だけ燃焼室３側に近づけて設
けられている。

【００３３】そして、これにより点火プラグ６をキャビ
ティ２５側に近づけるようにしてシリンダヘッド８に取
り付けるようにしているのである。なお、この場合、所
定量Ｄ１だけ点火プラグ６の下部のネジ部が燃焼室３内
に晒されてしまい、このような状態でエンジンを運転さ
せると、この点火プラグ６の下部にカーボン等が付着し
てしまう。そして、点火プラグ６の下部のネジ部にカー
ボン等が付着すると、点火プラグ６がシリンダヘッド８
から取り外すのが困難となり、作業性が低下してしまう
ことが考えられる。

【００３４】そこで、この筒内噴射型内燃機関では、図
１に示すように、点火プラグ６の下部を保護すべく、点
火プラグ取付部２８の下部の周囲に肉盛り部２９が形成
されている。これにより、点火プラグ６の下部へのカー
ボン等の付着を防止して、点火プラグ６の交換時の作業
性や点火プラグ６の耐久性を向上させているのである。
また、このような肉盛り部２９を設けることにより、点
火プラグ６に加わった熱を肉盛り部２９を介してシリン
ダヘッド８に逃がすことができ、点火プラグ６の熱に対
する耐久性が向上するようになっているのである。

【００３５】また、点火プラグ６の電極６ａの長さも通
常の点火プラグに対して所定量だけ長く形成されてお
り、これにより、燃料の着火時に燃料濃度の濃い部分に
電極６ａが位置するようになるのである。なお、点火プ
ラグ６の取付面２７を従来の内燃機関と同様の位置に形
成し、その分点火プラグ６の電極６ａのみをさらに所定
量Ｄ１だけ長く形成して、電極６ａをキャビティ２５内
の燃料濃度の濃い部分へ配設するような構成も考えられ
る。すなわち、電極６ａのみを極端に長くするという構
成のみで、燃料を確実に着火させるのである。この場
合、上述の肉盛り部２９は不要になるが、このように電
極６ａの長さだけを極端に長く形成すると、電極６ａの
耐久性が低下してしまうことが考えられる。

【００３６】これに対して、本発明では、点火プラグ６
の取付面２７を燃焼室３側に近づけるとともに、電極６
ａの長さを長く形成するという２段階の構成で着火部分
をキャビティ２５内に近づけるようにしているので、電
極６ａが確実にキャビティ２５内の燃料濃度の濃い部分
に位置するようにしながらも、点火プラグ６の耐久性を
損なうことがないという利点がある。そして、これによ
り、燃料を確実に着火させることができ、燃焼効率を向
上させることができるのである。

【００３７】また、点火プラグ６の放電電極６ａとキャ
ビティ２５の表面との隙間（図１中Ｄ２で示す）の値に
ついても、エンジンの出力と燃費に影響するため、この
隙間Ｄ２を最適値に設定する必要がある。すなわち、こ
の隙間Ｄ２が大きすぎると、燃焼室３内で形成された吸
気タンブル流に乗った燃料に点火プラグ６の電極６ａが
十分に届かずに、燃焼効率が悪化してしまう。また、放
電電極６ａとキャビティ２５の表面とが近すぎると、電
極６ａとピストン２とが干渉してしまうことが考えられ
る。

【００３８】このため、本筒内噴射型内燃機関では、ピ
ストン２の上死点位置における放電電極６ａとキャビテ
ィ２５の表面との距離Ｄ２を最適値（例えばＤ２＝１〜
２ｍｍ程度）に設定し、ピストン２との干渉を十分に避
けながら高い燃焼効率が得られるようにしている。ま
た、このような筒内噴射型内燃機関では、ピストン２と
排気弁４との近接部分の間隔（これを排気側隙間とい
い、図１中Ｄ３で示す）も機関の性能に大きく影響す
る。例えば、図８のグラフの点Ｃ，点Ｄに示すように、
排気側隙間Ｄ３が大きすぎると、インジェクタ１から圧
縮行程時に噴霧された燃料がキャビティ２５の外側に拡
散してしまい、燃費が悪化してしまう。

【００３９】一方、点Ａ，点Ｂに示すように、排気側隙
間Ｄ３が小さすぎると、全開運転時（即ち、吸気行程の
燃料噴射時）に、排気弁５側の空間に火炎が十分に伝播
されず、出力が低下してしまう。そこで、本発明の筒内
噴射型内燃機関では、この排気側隙間Ｄ３を燃費と出力
との均衡が図れ、効率的な燃焼を実現できるような最適
な値（図８に示す☆印近傍、Ｄ３＝５〜８ｍｍ）に設定
されている。

【００４０】このように、キャビティ２５を球状に形成
するとともに、キャビティ２５と点火プラグ６との位置
関係が最適となるように配設することにより、キャビテ
ィ２５に向けて噴射された燃料を着火時にキャビティ２
５内に滞留させ、吸気と燃料との層状化を促進すること
ができ、さらに、確実な着火，燃焼が行なわれるように
なっているのである。

【００４１】また、図１，図３に示すように、ピストン
２の排気弁側傾斜上面２ｂとシリンダヘッド８の排気弁
側下面８ｂとの間には、着火された火炎が燃焼室３内に
均一に広がるように火炎浸入空間２６が形成されてい
る。ここで、排気弁側傾斜上面２ｂは、排気弁側下面８
ｂよりも小さな傾斜角に設定されており、これにより、
上述の火炎浸入空間２６は、図３に示すように、燃焼室
３の中心側に向けて、互いの面２ｂ，８ｂの距離が広が
るような形状、即ち、断面が略楔状の空間に形成されて
いる。

【００４２】このように、燃焼室３の排気弁４側に略楔
状の火炎浸入空間２６を形成するのは、以下の理由によ
る。即ち、上述したようなキャビティ２５が形成された
筒内噴射型内燃機関の燃焼室３では、通常は排気弁側傾
斜上面２ｂと排気弁側下面８ｂとが略平行になるように
形成されるとともに、これらの面２ｂ，８ｂで形成され
た空間は狭く形成されるため、燃料着火後のこの空間へ
の火炎の伝播は遅れがちになる。そこで、燃焼室３内の
火炎伝播を均一にするには、排気弁側傾斜上面２ｂと排
気弁側下面８ｂとの間の空間を単に広げることが考えら
れるが、上述したように、燃焼室３の全容積（図４のＶ
ａ＋Ｖｂ＋Ｖｃ部分）とキャビティ２５及びその上部空
間の容積（Ｖａ＋Ｖｂ）との間には最適な容積比が存在
している。

【００４３】したがって、燃焼室３の排気弁５側空間を
単純に広げてしまうと、今度はキャビティ２５の容積比
を最適値にするのが困難になってしまい、かえって、機
関の性能低下を招くことも考えられる。そこで、上述し
たように、燃焼室３の排気弁５側の空間に、中心側の隙
間を大きめにしその分だけ排気弁５側端部の隙間を小さ
くした略楔状の火炎浸入空間２６を形成しているのであ
る。

【００４４】このような火炎浸入空間２６によれば、ま
ず、点火プラグ６の電極６ａ近傍を中心に燃焼を開始し
た火炎が、燃焼室３の排気弁５側の空間のうち比較的隙
間の広い燃焼室３の中心側へ確実に燃え広がり、比較的
隙間の狭い燃焼室３の端部側にも、燃焼室３の他の部分
に対して遅れることなく火炎が伝播し、ムラのない均一
な燃焼を実現することができるのである。

【００４５】また、このように燃焼室３の排気弁５側の
空間断面を略楔状に形成することで、燃焼室３の排気弁
５側の空間の容積を変更することもなく、キャビティ比
の設定に何ら影響を与えないという利点も有している。
本発明の第１実施例として筒内噴射型内燃機関は、上述
のように構成されているので、以下の効果を得ることが
できる。

【００４６】まず、このピストン２の吸気弁側傾斜上面
２ａに、図２（ａ）〜（ｃ）に示すような下に凸状に灣
曲した球面状のキャビティ２５を形成することで、図６
（ａ）〜（ｃ）や図７（ａ）〜（ｃ）に示すような断面
が略長方形のキャビティ２５Ａ，２５Ｂを有するピスト
ン２に対して、出力や燃費を向上させることができると
いう利点がある。

【００４７】すなわち、キャビティ２５の形状を球面状
に形成することで、ピストン２のキャビティ容積Ｖａに
対するキャビティ表面積を最小にすることができる。こ
れにより、熱損失を減少させることができができ、燃焼
効率を向上させることができるのである。また、キャビ
ティ２５を球面状に形成することで、燃焼室３内に吸気
流による渦状の流れ、即ちタンブル流の形成が促進さ
れ、層状燃焼を行ない易いという利点もある。

【００４８】図９はこのような球面状のキャビティ２５
を有するピストン２と断面が略長方形のキャビティ２５
Ａ，２５Ｂを有するピストン２とを比較して示すグラフ
であるが、断面が略長方形のキャビティ２５Ａ，２５Ｂ
の燃費及び最大トルク（図中点Ａ，点Ｂに示す）に対し
て、球面状のキャビティ２５を有するピストン２では、
点Ｃに示すように、燃費及び最大トルクの両方を向上さ
せることができるのである。

【００４９】また、このような球面状のキャビティ２５
を有するピストン２対に加えて、さらに燃焼室３の排気
弁５側の断面形状を略楔状に形成した火炎浸入空間２６
を設けたものでは、点Ｄに示すように、さらに最大トル
クが向上するという利点がある。さらに、図１０に示す
ように、このような略楔状の火炎浸入空間２６を設ける
ことにより、燃料消費率もほぼ全域で低下させることが
できるとともに、ＴＨＣ（トータルでの炭化水素量）の
排出量も低下させることができるという利点も有してい
る。

【００５０】また、本筒内噴射型内燃機関では、点火プ
ラグ６の取付面２７を所定量Ｄ１（例えばＤ１＝２ｍ
ｍ）だけ燃焼室３側に近づけるとともに、点火プラグ６
の放電電極６ａを従来のものよりも所定量長く形成する
という２段階の構成で、電極６ａの着火部分をキャビテ
ィ２５内の燃料濃度の濃い部分に位置するようにしてい
るので、燃料を確実に着火させることができるようしな
がらも、点火プラグ６の電極６ａの耐久性を損なうこと
がないという利点がある。

【００５１】さらに、このような点火プラグ６では、従
来の点火プラグに対して電極６ａ部を所定量長めに形成
するだけでよいので、低コストで実現できるという利点
もある。また、シリンダヘッド８の燃焼室３の形成面に
おいて、点火プラグ６の取付部２８の周囲に肉盛り部２
９が設けられているので、点火プラグ６の下端が所定量
Ｄ１だけ燃焼室３側に移動しても、この点火プラグ６の
下端部が直接燃焼室３に晒されることがない。

【００５２】したがって、点火プラグ６の下部のネジ部
へのカーボン等の付着が防止され、点火プラグ６の交換
等の作業性も向上する。また、点火プラグ６の下部が、
肉盛り部２９により保護されるので、点火プラグ６自体
の耐久性も向上するという利点がある。さらには、点火
プラグ６に加わる熱を肉盛り部２９を介してシリンダヘ
ッド８に逃がすことができるので、熱に対する耐久性も
向上するという利点を有している。

【００５３】一方、ピストン２のキャビティ２５を、ピ
ストン２の頂点及びピストン２の吸気弁側傾斜上面２ａ
の下端を仮想球面内２５ａに包含するように形成するこ
とで、点火プラグ６をキャビティ２５内に配設しやすく
なる。また、タンブル流の生成も促進することができる
という利点もある。また、ピストン２が上死点位置に達
した時に、インジェクタ１の噴射口と吸気弁４の弁体と
がそれぞれ仮想球面２５ａ内に位置するようにインジェ
クタ１，吸気弁４及び仮想球面２５ａの位置関係が設定
されているので、キャビティ２５内に燃料濃度の濃い混
合気を生成することができるのである。

【００５４】また、キャビティ２５の容積Ｖａ及びピス
トン２が上死点位置にあるときの吸気弁側傾斜下面８ａ
と吸気弁側傾斜上面２ａとの間の容積Ｖｂと、燃焼室３
全体の容積Ｖａ＋Ｖｂ＋Ｖｃとの容積比が、最適な値、
例えば、（Ｖａ＋Ｖｂ）／（Ｖａ＋Ｖｂ＋Ｖｃ）＝０．
４〜０．６の間の値となるように設定されているので、
燃費の向上と出力の向上とをバランス良く達成すること
ができるという利点がある。

【００５５】すなわち、図５（ａ），（ｂ）に示すよう
に、このキャビティ容積比が大きすぎると最大トルクや
最高出力が低下してしまい、また、キャビティ容積比が
小さすぎると燃費が低下してしまうが、上述したよう
に、キャビティ容積比を最適な値に設定することによ
り、燃費向上と出力向上とを両立することができるので
ある。

【００５６】さらに、図８のグラフに☆印で示すよう
に、排気側隙間Ｄ３が最適値（Ｄ３＝５〜８ｍｍ）に設
定されることにより、熱効率の高い燃焼状態を実現する
ことができ、やはり、最高出力を向上させることができ
るという利点がある。また、点火プラグ６の放電電極６
ａとキャビティ２５の表面との隙間Ｄ２を最適値（例え
ばＤ２＝１〜２ｍｍ程度）に設定することにより、点火
プラグ６のピストン２との干渉を十分に避けながら高い
燃焼効率が得られるという利点を有している。

【００５７】次に、本発明の第２実施例としての筒内噴
射型内燃機関について説明すると、図１１はその要部と
してのピストンを示す模式図である。なお、この第２実
施例では、第１実施例に対して、ピストン２の凹部の形
状のみが異なって形成されたものであり、これ以外の構
成は上述した第１実施例と共通である。図１１（ａ）〜
（ｃ）に示すように、ピストン２の吸気弁４側頂面に
は、下に凸状に灣曲したキャビティ２５Ｃが形成されて
いる。

【００５８】このキャビティ２５Ｃは、図１１（ｃ）に
示すように、吸気弁４側の上部に互いに中心が隣接した
２つの仮想球面２５ｂ，２５ｃと、これらの２つの球面
２５ｂ，２５ｃ間を滑らかに接続する接続面２５ｄとか
ら形成されている。これらの仮想球面２５ｂ，２５ｃの
中心は、図１１（ａ）に示すように、ピストンピン３０
の配設方向に直交する軸線に対して、それぞれ同じ距離
だけ互いに逆方向にオフセットされた位置に設定されて
いる。

【００５９】また、この接続面２５ｄは、２つの球面２
５ｂ，２５ｃの低部を接続する円筒面として形成されて
いる。そして、このようなキャビティ２５Ｃによれば、
ピストン２のキャビティ容積を大きくすることができる
とともにキャビティ容積に対するキャビティ表面積を比
較的小さく形成することができる。

【００６０】したがって、燃損失の低下をほとんど招く
ことがなく、即ち出力特性をほとんど低下させることな
く、燃費を向上させることができるようになるのであ
る。また、キャビティ２５Ｃの形状が略球面状に形成さ
れることにより、燃焼室３内に吸気流による渦状の流
れ、即ちタンブル流の形成が促進されるという利点もあ
る。

【００６１】本発明の第２実施例としての筒内噴射型内
燃機関は，上述のように構成されているので、吸気弁４
を介して燃焼室３内に流入した吸気流は、ピストン２に
形成されたキャビティ２５Ｃに案内されて、タンブル流
を形成するとともに、このタンブル流に燃料を噴射する
ことで層状の混合気が形成される。ここで、キャビティ
２５Ｃを形成する２つの２つの仮想球面２５ｂ，２５ｃ
は、ピストンピン３０の配設方向に沿って隣接している
ので、吸気流の流入する方向、即ちタンブル流を形成す
る方向には、球面状のキャビティとして形成されること
になる〔図１１（ｂ）参照〕。したがって、第１実施例
と同様に層状燃焼を行なうことができる。

【００６２】また、上述したキャビティ２５Ｃでは、ピ
ストン２のキャビティ容積を大きくしながらもキャビテ
ィ表面積を比較的小さく形成することができるので、出
力特性をほとんど低下させることなく、燃費を向上させ
ることができるという利点がある。なお、上述の接続面
２５ｄとしては、円筒面に限定されるものではなく、２
つの球面２５ｂ，２５ｃ間を滑らかに接続することがで
きれば、他の形状の面であってもよい。

【００６３】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１記載の本
発明の筒内噴射型内燃機関によれば、燃焼室内に直接燃
料が噴射される筒内噴射型内燃機関において、頂面の吸
気ポート寄りに凹部が形成されたピストンと、該凹部内
に向け燃料を噴射する燃料噴射弁と、該燃料噴射弁によ
り噴射された燃料を燃焼させるべく放電を行なう放電電
極が突設された点火プラグとをそなえ、該シリンダヘッ
ドに該点火プラグを取り付けるための取付部が形成さ
れ、該取付部の一部がシリンダヘッドの燃焼室形成面よ
りも該燃焼室内に突出するように形成されて、該ピスト
ンの上死点位置への上昇時に該点火プラグの該放電電極
が該ピストンの凹部近傍となるように配設されるという
構成により、従来より用いられている通常の点火プラグ
を用いて、放電電極を凹部近傍に配設することができ
る。これにより、放電電極が比較的燃料濃度の濃い部分
に位置するようになり、低コストで燃焼効率を向上させ
ることができるという利点がある。

【００６４】また、請求項２記載の本発明の筒内噴射型
内燃機関によれば、上記請求項１記載の構成に加えて、
該シリンダヘッドの燃焼室形成面において、該取付部の
周囲に肉盛り部が形成されるという構成により、点火プ
ラグの下端部が直接燃焼室に晒されることが防止され、
点火プラグの下部のネジ部へのカーボン等の付着が防止
される。これにより、点火プラグの交換等の作業性が向
上するという利点がある。また、点火プラグの下部が、
肉盛り部により保護されることで、点火プラグ自体の耐
久性も向上するという利点がある。さらには、点火プラ
グに加わる熱を肉盛り部を介してシリンダヘッドに逃が
すことができるため、熱に対する耐久性をも向上させる
ことができるという利点も有している。

【００６５】また、請求項３記載の本発明の筒内噴射型
内燃機関によれば、上記請求項１又は２記載の構成に加
えて、該点火プラグの該放電電極位置が、該ピストンの
上死点位置上昇時において該ピストンに形成された該凹
部内となるように配設されるという構成により、低コス
トで確実に燃料濃度の濃い部分に放電電極を配設するこ
とができ、やはり、燃焼効率を向上させることができる
という利点がある。

【００６６】また、請求項４記載の本発明の筒内噴射型
内燃機関によれば、上記請求項１〜３のいずれかに記載
の構成に加えて、該取付部の一部がシリンダヘッドの燃
焼室形成面よりも該燃焼室内に突出するように形成され
るとともに、該点火プラグの該放電電極が、点火プラグ
本体から突出することにより、該ピストンの上死点位置
への上昇時に該点火プラグの該放電電極が該ピストンの
凹部近傍となるように配設されるという構成により、点
火プラグの放電電極の耐久性を維持しながら、放電電極
を燃料濃度の濃い部分に確実に配設することができ、燃
焼効率を向上させることができるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例としての筒内噴射型内燃機
関における燃焼室の構成を示す模式的な断面図である。

【図２】本発明の第１実施例としての筒内噴射型内燃機
関における要部としてのピストンの形状を示す模式図で
あって、（ａ）はその上面図、（ｂ）はその正面図、
（ｃ）は（ｂ）におけるＡ１―Ａ１断面図である。

【図３】本発明の第１実施例としての筒内噴射型内燃機
関におけるピストンの頂面とシリンダヘッドの下面との
相対的な位置関係を示す図である。

【図４】本発明の第１実施例としての筒内噴射型内燃機
関における燃焼室の全容積とピストンの凹部の容積と比
を説明するための模式図である。

【図５】本発明の第１実施例としての筒内噴射型内燃機
関におけるピストンの凹部形状の容積比の変化に伴う機
関の特性の変化を説明するためのグラフである。

【図６】本発明の第１実施例としての筒内噴射型内燃機
関におけるピストンの凹部形状の他の例を示すためのピ
ストンの模式図であって、（ａ）はその上面図、（ｂ）
はその正面図、（ｃ）は（ｂ）におけるＡ３―Ａ３断面
図である。

【図７】本発明の第１実施例としての筒内噴射型内燃機
関におけるピストンの凹部形状の他の例を示すためのピ
ストンの模式図であって、（ａ）はその上面図、（ｂ）
はその正面図、（ｃ）は（ｂ）におけるＡ４―Ａ４断面
図である。

【図８】本発明の第１実施例としての筒内噴射型内燃機
関における作用を説明するためのグラフである。

【図９】本発明の第１実施例としての筒内噴射型内燃機
関における作用を説明するためのグラフである。

【図１０】本発明の第１実施例としての筒内噴射型内燃
機関における燃焼室の形状の差による燃費及びＨＣ排出
量の変化特性を示すグラフである。

【図１１】本発明の第２実施例としての筒内噴射型内燃
機関における要部としてのピストンの形状を示す模式図
であって、（ａ）はその上面図、（ｂ）はその正面図、
（ｃ）は（ｂ）におけるＡ２―Ａ２断面図である。

【図１２】従来の筒内噴射型内燃機関の燃焼室の構成を
示す模式的な断面図である。

【符号の説明】

１ 燃料噴射弁又はインジェクタ ２ ピストン ２ａ 吸気弁側傾斜上面 ２ｂ 排気弁側傾斜上面 ３ 燃焼室 ４ 吸気弁 ５ 排気弁 ６ 点火プラグ ６ａ 放電電極 ７ シリンダブロック ８ シリンダヘッド ８ａ 吸気弁側傾斜下面 ８ｂ 排気弁側傾斜下面 ９ 吸気ポート １０ 排気ポート ２５，２５Ａ〜２５Ｃ 凹部又はキャビティ ２５ａ〜２５ｃ 仮想球面 ２５ｄ 接続面 ２６ 火炎浸入空間 ２７ 点火プラグ取付面 ２８ 点火プラグ取付部 ２９ 肉盛り部 ３０ ピストンピン ＣＬ シリンダ中心軸

フロントページの続き (72)発明者 五島 賢司 東京都港区芝五丁目33番８号 三菱自動車 工業株式会社内 (72)発明者 五十嵐 京矢 東京都港区芝五丁目33番８号 三菱自動車 工業株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼室内に直接燃料が噴射される筒内噴
   射型内燃機関において、 頂面の吸気ポート寄りに凹部が形成されたピストンと、 該凹部内に向け燃料を噴射する燃料噴射弁と、 該燃料噴射弁により噴射された燃料を燃焼させるべく放
   電を行なう放電電極が突設された点火プラグとをそな
   え、 該シリンダヘッドに該点火プラグを取り付けるための取
   付部が形成され、該取付部の一部がシリンダヘッドの燃
   焼室形成面よりも該燃焼室内に突出するように形成され
   て、該ピストンの上死点位置への上昇時に該点火プラグ
   の該放電電極が該ピストンの凹部近傍となるように配設
   されていることを特徴とする、筒内噴射型内燃機関。
2. 【請求項２】 該シリンダヘッドの燃焼室形成面におい
   て、該取付部の周囲に肉盛り部が形成されていることを
   特徴とする、請求項１記載の筒内噴射型内燃機関。
3. 【請求項３】 該点火プラグの該放電電極位置が、該ピ
   ストンの上死点位置上昇時において該ピストンに形成さ
   れた該凹部内となるように配設されていることを特徴と
   する、請求項１又は２記載の筒内噴射型内燃機関。
4. 【請求項４】 該取付部の一部がシリンダヘッドの燃焼
   室形成面よりも該燃焼室内に突出するように形成される
   とともに、該点火プラグの該放電電極が、点火プラグ本
   体から突出することにより、該ピストンの上死点位置へ
   の上昇時に該点火プラグの該放電電極が該ピストンの凹
   部近傍となるように配設されていることを特徴とする、
   請求項１〜３のいずれかに記載の筒内噴射型内燃機関。