JPH1068319A - 筒内直噴式火花点火エンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 筒内直噴式火花点火エンジンに適したピスト
ンの冷却装置を提供する。 【解決手段】 気筒内に燃料を噴射するインジェクタ１
と、気筒内の混合気に点火する点火栓２とを備える筒内
直噴式火花点火エンジンにおいて、ピストン３の冷却を
行うオイルを噴射供給するオイルジェット７を備え、オ
イルジェット７からのオイル供給量をエンジン負荷が低
下するのに伴って減少させる構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、筒内直噴式火花点
火エンジンにおいてピストンを冷却する装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】点火栓の近傍に燃料を集める混合気の成
層化をはかるため、気筒内にインジェクタ（燃料噴射
弁）を臨ませ、気筒内に直接に燃料を噴射するようにし
た直接筒内噴射式火花点火エンジンがある。

【０００３】従来の直接筒内噴射式火花点火エンジンと
して、ピストン冠面に窪むキャビティが形成され、キャ
ビティに向けて燃料を噴射するインジェクタを備えると
ともに、キャビティに臨む点火栓を備えるものがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の直接筒内噴射式火花点火エンジンにあって
は、キャビティが窪むピストン冠部は、燃焼ガスにさら
されて熱負荷が高く、燃焼室の温度が上昇する高負荷時
にピストンの耐熱性を確保することが難しい例えば実開
平３−１１０１３４号公報では、燃料を圧縮着火させる
直接筒内噴射式ディーゼルエンジンにおいて、ピストン
冠部にオイルギャラリが形成され、オイルギャラリを循
環するオイルによってピストンを冷却するようになって
いる。

【０００５】この場合、オイルポンプの吐出圧が所定値
より低い低速時に、オイルジェットが閉弁し、オイルの
供給が停止される。

【０００６】一方オイルポンプの吐出圧が上昇する中高
速時に、オイルジェットが開弁し、オイルジェットから
噴射されるオイルをオイルギャラリに循環させるように
なっている。

【０００７】しかし、このようなピストンの冷却装置を
直接筒内噴射式火花点火エンジンに適用した場合、オイ
ルジェットから冷却オイルが噴射される中速での低負荷
域に、オイルギャラリを循環するオイルによりピストン
冠部が過剰に冷却され、未燃焼ＨＣの排出量が増加した
り、ピストン冠部にデポジットが付着する可能性があ
る。

【０００８】また、オイルジェットから冷却オイルの噴
射が停止してしまう低速での高負荷域にピストン冠部の
冷却が不足し、ノッキングが発生するという問題点が考
えられる。

【０００９】本発明は上記の問題点を鑑みてなされたも
のであり、筒内直噴式火花点火エンジンに適したピスト
ンの冷却装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の筒内直
噴式火花点火エンジンは、気筒内に燃料を噴射するイン
ジェクタと、気筒内の混合気に点火する点火栓とを備え
る筒内直噴式火花点火エンジンにおいて、ピストンの冷
却を行うオイルを供給するオイルジェットと、オイルジ
ェットからのオイル供給量をエンジン負荷が低下するの
に伴って減少させるオイル噴射量制御手段とを備える。

【００１１】請求項２に記載の筒内直噴式火花点火エン
ジンは、請求項１に記載の発明において、所定の低中速
低中負荷域で前記インジェクタからの燃料噴射時期を圧
縮行程に設定するとともにオイルジェットからピストン
の冷却を行うオイルの供給を停止し、所定の高速域また
は高負荷域でインジェクタからの燃料噴射時期を吸気行
程に設定するとともにオイルジェットからピストンの冷
却を行うオイルを供給する構成とする。

【００１２】請求項３に記載の筒内直噴式火花点火エン
ジンは、請求項１または２に記載の発明において、前記
インジェクタに対向してピストンの冠面に窪むキャビテ
ィを形成し、ピストンの冠部にオイルジェットから供給
されるオイルを循環させるオイルギャラリを形成し、オ
イルギャラリをキャビティ外郭の周囲を囲むように環状
に形成する。

【００１３】請求項４に記載の筒内直噴式火花点火エン
ジンは、請求項１または２に記載の発明において、前記
インジェクタに対向してピストンの冠面に窪むキャビテ
ィを形成し、ピストンの冠部にオイルジェットから供給
されるオイルを循環させるオイルギャラリを形成し、オ
イルギャラリをキャビティ底面の下方に位置するように
形成する。

【００１４】請求項５に記載の筒内直噴式火花点火エン
ジンは、請求項１または２に記載の発明において、前記
インジェクタに対向してピストンの冠面に窪むキャビテ
ィを形成し、ピストンの冠部にオイルジェットから供給
されるオイルを循環させるオイルギャラリを形成し、オ
イルギャラリをキャビティ底面とキャビティ外郭を囲む
皿状に形成する。

【００１５】

【作用】請求項１に記載の筒内直噴式火花点火エンジン
において、エンジン負荷が減少するのにしたがってピス
トン冠部が燃焼室から受ける熱は減少するが、低負荷域
ではオイルジェットからのオイルの供給が減少もしくは
停止され、ピストン冠部の熱がオイルによって過剰に冷
却されることがないため、ピストン冠部は高温に保た
れ、ピストン冠面に付着した燃料の微粒化および気化が
促進される。

【００１６】こうして燃料がピストンによって加熱され
ることによりその微粒化および気化が進み、着火が確実
に行われる。

【００１７】高負荷域では、オイルジェットからのオイ
ルの供給量が増加され、ピストン冠部の熱はオイルによ
って持ち去られる。高負荷域は低中負荷域に比べてピス
トン冠部が燃焼室から受ける熱が増加するが、ピストン
のオイルによる冷却が適正化するため、ピストンの耐熱
性が確保されるとともに、ノッキングを抑えられる。

【００１８】請求項２に記載の筒内直噴式火花点火エン
ジンにおいて、低中速低中負荷域では、ピストンが上昇
する圧縮行程にインジェクタから燃料が噴射されるた
め、噴射から点火までの期間が短く、噴射燃料の拡散が
抑えられ、濃混合気を点火栓の近傍に形成する。

【００１９】この低中速低中負荷域では、オイルジェッ
トによるピストン冠部の冷却が停止されるため、ピスト
ン冠部が燃焼室から受ける熱が減少するのにかかわら
ず、ピストン冠部は高温に保たれ、ピストン冠面に付着
した燃料の微粒化および気化が促進される。

【００２０】この結果、気筒内に形成された層状混合気
は、全体としての空燃比が超リーンであっても、安定し
た着火燃焼が行われる。

【００２１】高速域または高負荷域では、ピストンが下
降する吸気行程にインジェクタから燃料が噴射される。
気筒内に噴射された燃料は各吸気バルブが開かれるのに
伴って吸気ポートから吸入している空気と十分に混合す
る。気筒内に形成された混合気はピストンで圧縮された
状態で点火栓を介して燃料が着火燃焼する。

【００２２】この高速域または高負荷域では、オイルジ
ェットからオイルが供給され、ピストン冠部の熱はオイ
ルによって持ち去られる。

【００２３】高速域または高負荷域は低中速低中負荷域
に比べてピストン冠部が燃焼室から受ける熱が増加する
が、ピストン冠部の熱がオイルによって持ち去られるた
め、ピストンの耐熱性が確保されるとともに、ノッキン
グを抑えられる。

【００２４】請求項３に記載の筒内直噴式火花点火エン
ジンにおいて、オイルギャラリがキャビティ外郭の周囲
を覆うようにして形成されているため、オイルジェット
からオイルギャラリにオイルが供給される高負荷域で
は、熱負荷の高いキャビティ外郭とピストン冠面が交わ
るエッジ部の熱がオイルギャラリを循環するオイルによ
って持ち去られる。

【００２５】請求項４に記載の筒内直噴式火花点火エン
ジンにおいて、オイルギャラリはキャビティ底面の下方
に位置するように形成されているため、オイルジェット
からオイルの供給が停止される低負荷域では、インジェ
クタから噴射される燃料の多くが当たるキャビティ底面
が高温に保たれ、キャビティに付着した燃料の気化が促
進される。

【００２６】請求項５に記載の筒内直噴式火花点火エン
ジンにおいて、オイルギャラリがキャビティ底面とキャ
ビティ外郭を囲む皿状に形成されているため、オイルジ
ェットからオイルの供給が停止される低負荷域では、イ
ンジェクタから噴射される燃料の多くが当たるキャビテ
ィ底面が高温に保たれ、キャビティに付着した燃料の気
化が促進される。

【００２７】オイルジェットからオイルが供給される高
負荷域では、熱負荷の高いキャビティ外郭とピストン冠
面が交わるエッジ部の熱がオイルギャラリを循環するオ
イルによって効果的に持ち去られる。

【００２８】

【発明の効果】請求項１に記載の筒内直噴式火花点火エ
ンジンによれば、低負荷域にオイルによるピストンの冷
却を抑え、未燃焼ＨＣの排出量を低減するとともに、ピ
ストン冠部に付着するデポジットの量を低減することが
できる。高負荷域にピストン冠部のオイルによる冷却が
適正化されるため、ピストンの耐熱性が確保されるとと
もに、ノッキングを有効に抑えられる。

【００２９】請求項２に記載の筒内直噴式火花点火エン
ジンによれば、低中速低中負荷域で圧縮行程にインジェ
クタから噴射された燃料は微粒化および気化が促進さ
れ、未燃焼ＨＣの排出量を低減するとともに、ピストン
冠部に付着するデポジットの量を低減することができ
る。

【００３０】請求項３に記載の筒内直噴式火花点火エン
ジンによれば、熱負荷の高いキャビティ外郭とピストン
冠面が交わるエッジ部の耐熱性が高められるため、エン
ジンの高出力化に対応できる。

【００３１】請求項４に記載の筒内直噴式火花点火エン
ジンによれば、燃料の多くが当たるキャビティ底面の温
度を調節でき、未燃焼ＨＣの排出量を低減するととも
に、ピストン冠部に付着するデポジットの量を低減する
ことができる。

【００３２】請求項５に記載の筒内直噴式火花点火エン
ジンによれば、ピストンの耐熱性が高められるととも
に、燃料の多くが当たるキャビティ底面の温度を調節で
き、未燃焼ＨＣの排出量を低減するとともに、ピストン
冠部に付着するデポジットの量を低減することができ
る。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を添付図
面に基づいて説明する。

【００３４】図１に示すように、シリンダヘッド１０の
燃焼室天井壁から燃焼室４の中央部に点火栓２が臨み、
点火栓２を挟むようにして２つの吸気バルブ５と２つの
排気バルブ１４が互いに対向して設けられている。

【００３５】燃焼室４はシリンダヘッド１０の燃焼室天
井壁とピストン３の冠部３０とによって画成される。ピ
ストン３のシリンダ８における往復運動はコンロッド６
を介して図示しないクランクシャフトの連続回転運動に
変換される。

【００３６】燃焼室天井壁の側部から燃焼室４に臨むイ
ンジェクタ（電磁式燃料噴射弁）１が設けられる。

【００３７】インジェクタ１が開弁するのに伴って気筒
内に噴射される燃料は、各吸気バルブ５が開かれるのに
伴って吸気ポート１８から吸入される空気と混合する。
気筒内に形成された混合気はピストン３で圧縮された状
態で点火栓２を介して燃料が着火燃焼する。燃焼したガ
スはピストン３を下降させてクランクシャフトを介して
回転力を取り出した後、ピストン３が上昇する排気行程
中に排気バルブ１４が開かれるのに伴って各排気ポート
１９から排気ガスが排出される。これらの各行程が連続
して繰り返される。

【００３８】インジェクタ１はその開弁時期と開弁期間
（噴射パルス幅）が図示しないコントロールユニットに
より運転状態に応じて制御される。

【００３９】インジェクタ１の開弁時期である燃料噴射
時期は、図４に示すマップに基づき、所定の低中速低中
負荷域でピストン３が上昇する圧縮行程の後半に設定さ
れ、所定の高速域または高負荷域でピストン３が下降す
る吸気行程に設定されている。

【００４０】インジェクタ１は各吸気バルブ５の側方
で、かつ各吸気バルブ５の間に位置して燃焼室４に臨ん
でいる。インジェクタ１はピストン３の冠面に対して傾
斜するよう配置される。

【００４１】インジェクタ１の噴口から噴射される燃料
噴霧の中心線は水平線に対して所定角度で下向きに傾斜
するように配置される。

【００４２】ピストン３の冠面には、その中央部にペン
トルーフ状に隆起する凸部３１が形成される。凸部３１
の突出端となる稜線３３はシリンダ列方向に沿って延び
ている。

【００４３】ピストン３の冠面には、円盤状に窪むキャ
ビティ１３が形成される。キャビティ１３はインジェク
タ１に対向して形成され、インジェクタ１から噴射され
る燃料噴霧の大部分がキャビティ１３内に拡散するよう
になっている。

【００４４】キャビティ１３はシリンダ中心線について
インジェクタ１側に偏心した円形の断面を持ち、凸部３
１の稜線１２の中央部を削除するようにして窪んでい
る。

【００４５】キャビティ１３は、シリンダ中心線と直交
する平面状をしたキャビティ底面１５と、キャビティ底
面１５の外周から逆円錐面状に拡がるキャビティ外郭１
６によって画成される。

【００４６】ピストン３を冷却するため、ピストン冠部
３０にはオイルギャラリ３２が形成され、オイルジェッ
ト７から噴射されるオイルをオイルギャラリ３２に循環
させて、ピストン３の熱を持ち去るようになっている。

【００４７】オイルギャラリ３２には、ピストン３の背
後空間（クランク室）に連通する入口３４と出口３５が
それぞれ形成される。

【００４８】シリンダ８の下端には入口３４内に向けて
オイルを噴射するオイルジェット７が設けられる。オイ
ルジェット７は、図３に示すように、シリンダブロック
９に形成されたオイル通路２１を介して図示しないオイ
ルポンプ（油圧源）に連通している。

【００４９】オイルギャラリ３２はキャビティ外郭１６
の周囲を覆うように環状に形成され、オイルギャラリ３
２を循環するオイルによってピストン冠部３０の熱を持
ち去るようになっている。

【００５０】オイルギャラリ３２はその底面がキャビテ
ィ底面１５より上方に配置され、ピストン冠部３０の駄
肉部に形成される。

【００５１】なお、オイルギャラリ３２は図示の位置に
限らず、ピストン３の形状の制約によっては、図示の位
置よりもピストン３の上下方向に位置がずれた形状でも
差し支えない。

【００５２】オイル通路２１を循環するオイルは各制御
弁２２を介して各オイルジェット７に導かれる。各制御
弁２２はコントロールユニット２３からの信号に応じて
開閉作動する。

【００５３】コントロールユニット２３は、図示しない
吸気スロットルバルブの開度に応じたスロットル開度信
号、エンジン回転信号、各インジェクタ１の燃料噴射時
期信号等を入力し、制御弁２２の開閉を制御する。

【００５４】コントロールユニット２３において、各制
御弁２２は燃料噴射時期が圧縮行程にある低中速低中負
荷域で閉弁し、燃料噴射時期が吸気行程にある高速域ま
たは高負荷域に開弁するように設定されている。

【００５５】以上のように構成され、次に作用について
説明する。

【００５６】低中速低中負荷域では、ピストン３が上昇
する圧縮行程の後半にインジェクタ１が開弁するのに伴
ってピストン３のキャビティ１３に向けて燃料が噴射さ
れる。このため、燃料噴射から点火までの期間が短く、
燃焼室４における噴射燃料の拡散が抑えられ、キャビテ
ィ１３を介して濃混合気を点火栓２の近傍に形成する。

【００５７】この低中速低中負荷域では、制御弁２２が
閉弁して、オイルジェット７からオイルが噴射されず、
ピストン冠部３０の熱はオイルによって持ち去られるこ
とがないため、高負荷域に比べてピストン冠部３０が燃
焼室４から受ける熱が減少するのにもかかわらず、キャ
ビティ１３は高温に保たれ、キャビティ１３に付着した
燃料の微粒化および気化が促進される。こうしてピスト
ン３が上昇する圧縮行程で、キャビティ１３を介して高
濃度の混合気が点火栓２の近傍に集められ、全体として
の空燃比が超リーンであっても、安定した着火燃焼が行
われる。

【００５８】この結果、未燃焼ＨＣの排出量を低減する
とともに、ピストン冠部３０に付着するデポジットの量
を低減することができる。また、燃焼性が確保される希
薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。

【００５９】高速高負荷域では、ピストン３が下降する
吸気行程の前半にインジェクタ１が開弁するのに伴って
ピストン３のキャビティ１３に向けて燃料が噴射され
る。気筒内に噴射された燃料は各吸気バルブ５が開かれ
るのに伴って吸気ポート１８から吸入される空気と混合
する。気筒内に形成された混合気はピストン３で圧縮さ
れた状態で点火栓２を介して燃料が着火燃焼する。

【００６０】この高速域または高負荷域では、制御弁２
２が開弁しており、オイルジェット７からオイルが噴射
され、ピストン冠部３０の熱はオイルギャラリ３２を循
環するオイルによって持ち去られる。

【００６１】高速域または高負荷域は低中速低中負荷域
に比べてピストン冠部３０が燃焼室４から受ける熱が増
加するが、ピストン冠部３０の熱がオイルギャラリ３２
を循環するオイルによって持ち去られるため、キャビテ
ィ１３が過熱されることを防止し、ピストン３の耐熱性
が確保されるとともに、ノッキングを有効に抑えられ
る。

【００６２】ピストン冠部３０においてキャビティ外郭
１６とピストン冠面が交わるエッジ部３７は、燃焼ガス
にさらされてピストン冠部３０のうちでも熱負荷が最も
高くなるが、本実施形態ではオイルギャラリ３２がキャ
ビティ外郭１６の周囲を覆うようにして形成されている
ため、エッジ部３７の熱がオイルギャラリ３２を循環す
るオイルによって持ち去られ、エッジ部３７の耐熱性が
有効に高められる。

【００６３】次に、図５、図６に示す実施形態について
説明する。なお、図１、図２との対応部分には同一符号
を付す。

【００６４】ピストン３を冷却するため、ピストン冠部
３０には円盤状をしたオイルギャラリ４２が形成され
る。オイルギャラリ４２はキャビティ底面１５の下方に
位置するように形成される。

【００６５】オイルギャラリ４２には、ピストン３の背
後空間に連通する入口４４と出口４５がそれぞれ形成さ
れる。

【００６６】シリンダ８の下端には入口４４内に向けて
オイルを噴射するオイルジェット７が設けられる。

【００６７】以上のように構成され、次に作用について
説明する。

【００６８】低中速低中負荷域では、オイルジェット７
からオイルが噴射されず、ピストン冠部３０の熱はオイ
ルによって持ち去られることがない。このため、インジ
ェクタ１から噴射される燃料の多くが当たるキャビティ
底面１５は高温に保たれ、キャビティ１３に付着した燃
料の気化が促進される。

【００６９】高速高負荷域では、オイルジェット７から
オイルが噴射され、ピストン冠部３０の熱はオイルギャ
ラリ４２を循環するオイルによって持ち去られ、ピスト
ン３の耐熱性が確保される。

【００７０】次に、図７、図８に示す実施形態について
説明する。なお、図１、図２との対応部分には同一符号
を付す。

【００７１】ピストン３を冷却するため、ピストン冠部
３０にはオイルギャラリ５２が形成される。オイルギャ
ラリ５２はキャビティ底面１５とキャビティ外郭１６を
囲む皿状に形成される。オイルギャラリ５２はキャビテ
ィ底面１５の下方に位置して円盤状に拡がる円盤部５７
と、円盤部４２の外周から円錐状に立ち上がる円錐部５
６を有する。円錐部５６はキャビティ外郭１６の周囲を
囲むようにして形成される。

【００７２】オイルギャラリ５２には、ピストン３の背
後空間に連通する入口５４と出口５５がそれぞれ形成さ
れる。

【００７３】シリンダ８の下端には入口５４内に向けて
オイルを噴射するオイルジェット７が設けられる。

【００７４】以上のように構成され、次に作用について
説明する。

【００７５】低中速低中負荷域では、オイルジェット７
からオイルが噴射されず、ピストン冠部３０の熱はオイ
ルによって持ち去られることがない。このため、インジ
ェクタ１から噴射される燃料の多くが当たるキャビティ
底面１５は高温に保たれ、キャビティ１３に付着した燃
料の気化が促進される。

【００７６】高速高負荷域では、オイルジェット７から
オイルが噴射され、ピストン冠部３０の熱はオイルギャ
ラリ５２を循環するオイルによって持ち去られる。

【００７７】ピストン冠部３０においてキャビティ外郭
１６とピストン冠面が交わるエッジ部３７は、燃焼ガス
にさらされてピストン冠部３０のうちでも熱負荷が最も
高くなるが、本実施形態ではオイルギャラリ５２の円錐
部５６がキャビティ外郭１６の周囲を覆うようにして形
成されているため、エッジ部３７の熱がオイルギャラリ
５２を循環するオイルによって持ち去られ、エッジ部３
７の耐熱性が有効に高められる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を示すエンジンの断面図。

【図２】同じくピストンの平面図。

【図３】同じくシステム図。

【図４】同じく制御特性図。

【図５】他の実施形態を示すエンジンの断面図。

【図６】同じくピストンの平面図。

【図７】さらに他の実施形態を示すエンジンの断面図。

【図８】同じくピストンの平面図。

【符号の説明】

１ インジェクタ ２ 点火栓 ３ ピストン ４ 燃焼室 ５ 吸気バルブ ７ オイルジェット ８ シリンダ ９ シリンダブロック １０ シリンダヘッド １３ キャビティ １４ 排気バルブ １５ キャビティ底面 １６ キャビティ外郭 ２１ オイル通路 ２２ 制御弁 ２３ コントロールユニット ３０ ピストン冠部 ３１ 凸部 ３２ オイルギャラリ ４２ オイルギャラリ ５２ オイルギャラリ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】気筒内に燃料を噴射するインジェクタと、 気筒内の混合気に点火する点火栓と、 を備える筒内直噴式火花点火エンジンにおいて、 ピストンの冷却を行うオイルを供給するオイルジェット
   と、 オイルジェットからのオイル供給量をエンジン負荷が低
   下するのに伴って減少させるオイル噴射量制御手段と、 を備えたことを特徴とする筒内直噴式火花点火エンジ
   ン。
2. 【請求項２】所定の低中速低中負荷域で前記インジェク
   タからの燃料噴射時期を圧縮行程に設定するとともにオ
   イルジェットからピストンの冷却を行うオイルの供給を
   停止し、 所定の高速域または高負荷域でインジェクタからの燃料
   噴射時期を吸気行程に設定するとともにオイルジェット
   からピストンの冷却を行うオイルを供給する構成とした
   ことを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴式火花点火
   エンジン。
3. 【請求項３】前記インジェクタに対向してピストンの冠
   面に窪むキャビティを形成し、 ピストンの冠部にオイルジェットから供給されるオイル
   を循環させるオイルギャラリを形成し、 オイルギャラリをキャビティ外郭の周囲を囲むように環
   状に形成したことを特徴とする請求項１または２に記載
   の筒内直噴式火花点火エンジン。
4. 【請求項４】前記インジェクタに対向してピストンの冠
   面に窪むキャビティを形成し、 ピストンの冠部にオイルジェットから供給されるオイル
   を循環させるオイルギャラリを形成し、 オイルギャラリをキャビティ底面の下方に位置するよう
   に形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の
   筒内直噴式火花点火エンジン。
5. 【請求項５】前記インジェクタに対向してピストンの冠
   面に窪むキャビティを形成し、 ピストンの冠部にオイルジェットから供給されるオイル
   を循環させるオイルギャラリを形成し、 オイルギャラリをキャビティ底面とキャビティ外郭を囲
   む皿状に形成したことを特徴とする請求項１または２に
   記載の筒内直噴式火花点火エンジン。