JPH11210472A - 筒内直噴式火花点火エンジンの燃焼室構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 成層燃焼を高負荷領域まで拡大する。 【構成】 インジェクタ１５の噴孔１５ａを、ピストン
１３の頂面１３ａに形成したピストンキャビティ１３ｂ
のタンブル流が上昇する側へ指向させ、且つ、点火プラ
グ２３の発火部２３ａをタンブル流の上昇方向へ配設す
る。圧縮行程初期において噴射された燃料噴霧の一部が
ピストンキャビティ１３ｂからからはみ出した場合で
も、このはみ出した燃料噴霧はピストン１３の上昇によ
りスキッシュエリア１８から流出するスキッシュ流にて
点火プラグ２３の発火部２３ａへ搬送されて燃焼される
ため、未燃ＨＣが残留することはない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、筒内に生起された
タンブル流に燃料を直接噴霧することで希薄燃焼を可能
にする筒内直噴式火花点火エンジンの燃焼室構造に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の筒内直噴式火花点火エン
ジンでは、圧縮行程後半に燃料を噴射して混合気を成層
化し、点火プラグの発火部の周囲に着火可能な混合気を
形成して、希薄空燃比下でも安定した燃焼が得られる成
層燃焼と、吸気行程中に燃料を噴射して、吸入空気と均
一に混合させることで、いわゆる予混合と同等の空気利
用率を確保する均一混合燃焼とを選択的に切換えること
が可能である。

【０００３】このような成層燃焼と均一混合燃焼に適し
た燃焼室構造として、本出願人は、特開平９−２０９７
６２号公報において、インジェクタを燃焼室頂部中央に
垂立状に配設し、又上記インジェクタの噴射方向に対設
するピストン頂面にキャビティを形成し、さらに点火プ
ラグの発火部を上記インジェクタの噴孔の近傍に臨ませ
た筒内直噴式火花点火エンジンを提案した。

【０００４】この燃焼室構造によれば、成層燃焼時、点
火時期直前で噴射終了した燃料噴霧の後端に着火し、或
は上記ピストンキャビティに衝突して反射した混合気に
着火することで、安定燃焼を得るようにしている。又、
均一混合燃焼時には、吸気行程の比較的早い時期に噴射
を開始することで、空気利用率の高い均一混合気を得る
ことができ、しかもインジェクタを燃焼室頂部に垂立状
に配設したことで、燃料噴霧がシリンダボアの壁面に付
着せず、いわゆる燃料冷却による燃焼の悪化等も防止す
ることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、インジェクタ
を燃焼室頂部中央に垂立させ、このインジェクタの噴孔
をピストンキャビティに指向させる構造では、以下に示
す理由から高負荷領域へ成層燃焼領域を拡大することが
困難で、燃費及び排気エミッションの一層の改善を図る
際の障害となっている。

【０００６】（１）噴射時期が遅い場合、ピストンが上
昇し、ピストンキャビティ内の点火プラグ付近で過濃混
合気となるため、燃焼効率が悪化し一酸化酸素（Ｃ
Ｏ）、炭化水素（ＨＣ）の排出量が増加するばかりか、
過濃混合気が点火プラグに付着して失火の原因となる。

【０００７】（２）噴射時期が早い場合、ピストンがイ
ンジェクタから離れている圧縮行程初期での噴霧となる
ため、燃料噴霧が拡散され、その一部がピストンキャビ
ティからはみ出し、消炎層となり未燃ＨＣの排出量が増
大するばかりでなく、シリンダライナに付着した燃料が
液化しオイルダイリューションを起因する。

【０００８】本発明は、上記事情に鑑み、成層燃焼領域
を高負荷領域まで拡大し、燃費及び排気エミッションの
一層の改善を図ることのできる筒内直噴式火花点火エン
ジンの燃焼室構造を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明による第１の筒内直噴式火花点火エンジンの燃焼
室構造は、吸気ポートを通過して供給される吸入空気に
タンブル流を生起させるものにおいて、ピストン頂面に
上記吸気ポートから流入するタンブル流を上記燃焼室の
頂部方向へガイドする曲面形状のピストンキャビティを
形成し、又上記燃焼室の頂部にインジェクタを配設する
と共に、上記インジェクタの噴孔を上記ピストンキャビ
ティの上記タンブル流が上昇する側へ指向させ、更に上
記噴孔からの燃料噴射方向に点火プラグの発火部を配設
したことを特徴とする。

【００１０】第２の筒内直噴式火花点火エンジンの燃焼
室構造は、第１の筒内直噴式火花点火エンジンの燃焼室
構造において、前記タンブル流が吸気ポートから前記燃
焼室の頂部を経て前記ピストンキャビティへ導かれる正
タンブル流であり、前記インジェクタの前記噴孔が上記
ピストンキャビティの上記吸気ポート側へ偏倚した部分
に指向されていることを特徴とする。

【００１１】第３の筒内直噴式火花点火エンジンの燃焼
室構造は、第１の筒内直噴式火花点火エンジンの燃焼室
構造において、前記タンブル流が吸気ポートから上記ピ
ストンキャビティを経て前記燃焼室の頂部方向へ導かれ
る逆タンブル流であり、前記インジェクタの前記噴孔が
上記ピストンキャビティの排気ポート側へ偏倚した部分
に指向されていることを特徴とする。

【００１２】すなわち、第１の筒内直噴式火花点火エン
ジンの燃焼室構造では、吸気ポートから供給される吸入
空気がタンブル流を生成してピストンに形成したピスト
ンキャビティに導かれ、このピストンキャビティにガイ
ドされて前記燃焼室の頂部方向へターンされる。一方、
インジェクタの噴孔が、ピストンキャビティの上記タン
ブル流が上昇する側へ指向され、しかも上記噴孔からの
燃料噴射方向に点火プラグが配設されており、例えば燃
料噴射時期が早期に設定された場合には、ピストンキャ
ビティからはみ出した燃料噴霧がスキッシュ流により点
火プラグ方向へ運ばれて着火され、又、燃料噴射時期が
遅く設定された場合でも、燃料噴霧がピストンキャビテ
ィのタンブル流が上昇する側へ供給されて上昇するた
め、上記ピストンキャビティに燃料噴霧が過濃の状態で
滞留し難く、点火プラグ周辺に適度な空燃比の混合気層
が形成される。

【００１３】第２の筒内直噴式火花点火エンジンの燃焼
室構造は、第１の筒内直噴式火花点火エンジンの燃焼室
構造において、前記タンブル流が吸気ポートから前記燃
焼室の頂部を経て前記ピストンキャビティへ導かれる正
タンブル流を生成し、従って前記インジェクタの前記噴
孔を排気ポート側から上記ピストンキャビティの上記吸
気ポート側へ偏倚した部分に指向した状態で配設する。

【００１４】第３の筒内直噴式火花点火エンジンの燃焼
室構造では、第１の筒内直噴式火花点火エンジンの燃焼
室構造において、前記タンブル流が吸気ポートから上記
ピストンキャビティを経て前記燃焼室の頂部方向へ導か
れる逆タンブル流を生成し、従って前記インジェクタの
前記噴孔を上記ピストンキャビティの排気ポート側へ偏
倚した部分に指向した状態で配設する。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明の一実
施の形態について説明する。図１、図２に本発明の第１
実施の形態を示す。図中の符号１１はシリンダライナ、
１２はシリンダヘッド、１３はピストンで、このピスト
ン１３が上死点付近のときのピストン１３の頂面１３ａ
とシリンダライナ１１の内壁と上記シリンダヘッド１２
の底面とで筒内に燃焼室１４を形成する。

【００１６】上記シリンダヘッド１２の底面には、上記
燃焼室１４の頂面をなす内面凹部１２ａが形成されてい
る。この内面凹部１２ａはペントルーフ形で、その頂部
１２ｂはシリンダボアの中心から一方へやや偏倚してい
る。このペントルーフ形内面凹部１２ａの上記頂部１２
ｂのほぼ中央に燃料拡散ポート１２ｅが穿設されてい
る。

【００１７】又、上記シリンダヘッド１２の内面凹部１
２ａの吸気側ペントルーフ面１２ｃの上記燃料ポート１
２ｅを挟む両側に吸気ポート１６が各々開口され、また
排気側ペントルーフ面１２ｄの上記燃料拡散ポート１２
ｅを挟む両側に排気ポート１７が各々開口されている。
尚、上記シリンダヘッド１２の上記内面凹部１２ａの各
ペントルーフ面１２ｃ，１２ｄの裾部分にスキッシュエ
リア１８が形成されている。

【００１８】一方、上記ピストン１３の上記頂面１３ａ
には、曲面形状のピストンキャビティ１３ｂが形成され
ている。このピストンキャビティ１３ｂは、上記タンブ
ル流が流れ込み易く、しかも、上記吸気側ペントルーフ
面１２ｃの方向へ無理なくターンさせる曲率、及び位置
に形成されている。具体的には、図２に一点鎖線で示す
ように、上記シリンダライナ中心軸Ａに対して、ピスト
ンキャビティ１３ｂの中心が上記排気ポート１７，１７
間の方向へやや偏倚した位置に形成されている。

【００１９】又、上記燃料拡散ポート１２ｅにインジェ
クタ１５の噴孔１５ａが臨まされている。このインジェ
クタ１５が、上記シリンダライナ１１の中心軸Ａに対し
て両排気ポート１７，１７の中間方向へ設定角度αだけ
傾斜した軸線Ｂ上に配設されており、上記噴孔１５ａが
圧縮行程初期における上記ピストンキャビティの上記タ
ンブル流が該ピストンキャビティをターンして上昇する
側へ指向されている。

【００２０】又、符号２３は点火プラグであり、この点
火プラグ２３の発火部２３ａが、吸気側ペントルーフ面
１２ｃの上記両吸気ポート１６，１６間に臨まされ、且
つ上記ピストンキャビティ１３ｂからターンする上記タ
ンブル流とインジェクタ１５から噴射される燃料の流出
位置或は流出方向に配設されている。

【００２１】上記タンブル流のタンブル比（定常流試験
により求めたエンジン１回転あたりの筒内吸入空気の回
転量）は、上記吸気ポート１６の傾斜角γ、燃焼室１
４、及びピストン１３の形状等、種々の要素によって決
定されるが、本実施の形態では、主に吸気ポート１６の
傾斜角γとピストンキャビティ１３ｂの位置及び曲率で
決定している。

【００２２】尚、上記吸気ポート１６及び排気ポート１
７は吸気弁２１及び排気弁２２により所定タイミングで
開閉される次に、上記構成による本実施の形態の作用に
ついて説明する。極低負荷時の成層燃焼では、インジェ
クタ１５から噴射される燃料量は少なく、従って噴射開
始時期が点火時期の近くに設定されるので、インジェク
タ１５の噴孔１５ａから噴射した燃料噴霧により、点火
プラグ２３の発火部２３ａの周辺に混合気を自ら作り出
して着火する。極低負荷運転時のガス流動速度は遅いた
め、この混合気がガス流動やピストン１３の頂面１３ａ
に形成したピストンキャビティ１３ｂの形状などの影響
を受けることは少ない。

【００２３】又、低負荷時の成層燃焼では、吸気ポート
１６から流入する吸入空気の流速が比較的速く、上記吸
気ポート１６から流出した吸入空気は、シリンダヘッド
１２の頂部１２ｂを通過して排気側ペントルーフ面１２
ｄを経てピストン１３に形成したピストンキャビティ１
３ｂに導かれ、このピストンキャビティ１３ｂから吸気
側ペントルーフ面１２ｃ方向へターンされる、いわゆる
正タンブル流が生成される。

【００２４】このとき、インジェクタ１５の噴孔１５ａ
が、予め吸気ポート１６の方向へ指向されているため、
点火時期に同期して上記噴孔１５ａから噴射された燃料
噴霧は上記吸気ポート１６から流出する際に生成された
タンブル流に沿って成層状態のまま点火プラグ２３の発
火部２３ａへ導かれ、点火時において該発火部２３ａの
周辺に適正空燃比の混合気を形成する。

【００２５】次に、高負荷時の成層燃焼において、燃料
噴射量が比較的多く点火時期直前で燃料噴射を終了させ
るためには、燃料噴射開始時期が圧縮行程時の比較的早
期に設定される。従って、燃料噴射開始時のピストン１
３がインジェクタ１５から比較的離れた位置にあり、燃
料開始直後の燃料噴霧はピストン１３に到達する前に拡
散され、その一部はピストンキャビティ１３ｂからはみ
出し易くなる。

【００２６】しかし、上記インジェクタ１５の噴孔１５
ａが吸気ポート１６方向へ指向されているため、燃料噴
霧はピストンキャビティ１３ｂから排気ポート１７側の
シリンダライナ１１方向へはみ出ることが無く、一方、
吸気ポート１６側のシリンダライナ１１方向へはみ出し
た燃料噴霧は、ピストン１３の上昇に従いスキッシュエ
リア１８へ搬送され、該スキッシュエリア１８から噴出
するスキッシュ流に沿って点火プラグ２３の発火部２３
ａへ搬送されて燃焼されるため、未燃ＨＣが残留し難
く、従って高負荷時においても成層燃焼が可能になる。

【００２７】ところで、上記インジェクタ１５の噴孔１
５ａが上記吸気ポート１６方向へ指向されているため、
例えば、高負荷時の成層燃焼において、燃料噴射開始時
期を遅く設定した場合であっても、燃料噴霧は、スキッ
シュエリア１８からのスキッシュ流によってピストンキ
ャビティ１３ｂに直接噴射されることなく点火ブラグ２
３の発火部２３ａ方向へ搬送されるため、上記ピストン
キャビティ１３ｂ内に燃料が滞留して過濃とならず、良
好な着火性を得ることができる。

【００２８】又、中負荷時の均一混合燃焼においては、
燃料噴射時期を吸気行程後期から圧縮行程初期の間に設
定することで、吸気側の半分に可燃混合気を形成するこ
とで弱成層化による希薄燃焼が可能になる。

【００２９】更に、高負荷時の均一混合燃焼において
は、吸気行程初期に燃料噴射開始時期を設定すること
で、インジェクタ１５の噴孔１５ａから噴射される燃料
噴霧が吸気弁２１に衝突し拡散されて均一混合気が形成
されるため、良好な燃焼を得ることができる。

【００３０】このように、本実施の形態によれば、正タ
ンブル流を生起させる燃焼室構造において、インジェク
タ１５の燃料噴霧方向をピストンキャビティ１３ｂのタ
ンブル流が上昇する側に指向させたので、該ピストンキ
ャビティ１３ｂからはみ出す燃料噴霧は、その殆どがタ
ンブル流が上昇する側のシリンダライナ１１方向に拡散
され、このシリンダライナ１１方向へ拡散された燃料噴
霧がピストン１３の上昇によりスキッシュエリア１８に
生じるスキッシュ流によって点火プラグ２３の発火部２
３ａ方向へ搬送されるため、未燃ＨＣが残留し難く、従
って、成層燃焼を高負荷領域まで拡大することが可能に
なる。

【００３１】又、図３に本発明の第２実施の形態による
燃焼室形状を示す。本実施の形態では、いわゆる逆タン
ブル流を生成する場合のインジェクタ１５の配置を示
す。

【００３２】この場合、逆タンブル流を生成するため
に、吸気ポート１６の傾斜角度θを、前述した第１実施
の形態よりも狭角の鋭角に設定する。すなわち、吸気ポ
ート１６から燃焼室１４内へ流入する吸入空気流がピス
トン１３の頂面１３ａ方向へ指向するようにシリンダラ
イナ中心軸Ａに対する上記傾斜角度θを鋭角に形成する
ことで、吸入空気を上記ピストン１３の頂面１３ａに形
成した曲面形状のピストンキャビティ１３ｂに吸気側ペ
ントルーフ面１２ｃ側から導き、このピストンキャビテ
ィ１３ｂから排気側ペントルーフ面１２ｄ方向へターン
させる。

【００３３】この場合、燃料噴霧を上記ピストンキャビ
ティ１３ｂから排気側ペントルーフ面１２ｄ方向へター
ンされるタンブル流に供給するために、インジェクタ１
５をシリンダライナ中心軸Ａに対し、上記インジェクタ
１５の噴孔１５ａから噴射される燃料噴霧がピストンキ
ャビティ１３ｂのタンブル流が上昇する側に衝突するよ
うに、図３の時計回り方向へ角度αだけ傾斜させた軸線
Ｂ上に配設し、又、点火プラグ１５を排気側ペントルー
フ面１２ｄの排気ポート１７，１７の間に配設し、その
発火部２３ａをピストンキャビティ１３ｂをターンする
タンブル流及び燃料噴霧の流出位置に臨ませる。

【００３４】その結果、上記インジェクタ１５の噴孔１
５ａから噴射された燃料噴霧がピストンキャビティ１３
ｂのタンブル流が巻き上げる側に衝突し、このタンブル
流と共に排気側ペントルーフ面１２ｄ方向へ導かれて点
火時の点火プラグ２３の発火部２３ａ周囲に着火可能な
混合気を形成する。

【００３５】本実施の形態においては、点火プラグ２３
を排気ポート１７側に配設することで、吸気弁２１の大
径化が実現できると共に吸気ポート１６の形状をより吸
入抵抗の少ないものとすることができる。

【００３６】尚、本発明は上記各実施の形態に限るもの
ではなく、例えば、インジェクタ１５に設けた噴孔１５
ａが予め側方へ噴射するように設定されるものでは、噴
孔１５ａの噴射軸を上記軸線Ｂ上に配設する。

【００３７】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、燃焼室の
頂部に配設したインジェクタの噴孔を、ピストンの頂面
に形成したピストンキャビティのタンブル流が上昇する
側へ指向させ、このタンブル流の上昇方向に点火プラグ
の発火部を配設したので、圧縮行程初期の比較的早い時
期に燃料噴射を開始しても、上記噴孔から噴射される燃
料噴霧の上記ピストンキャビティからはみ出す方向が、
常に、タンブル流が上昇する側のシリンダライナ方向で
あり、このはみ出した燃料噴霧の大部分はピストンの上
昇によりスキッシュエリアから噴出するスキッシュ流に
より上記点火プラグの発火部の方向へ搬送されて着火さ
れるため、成層燃焼領域を高負荷領域まで拡大すること
ができ、高負荷領域での燃費及び排気エミッションの改
善を図ることができる。

【００３８】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の発明において、前記タンブル流を吸気ポートから前
記燃焼室の頂部を経て前記ピストンキャビティへ導く正
タンブル流とし、前記インジェクタの前記噴孔を上記ピ
ストンキャビティの上記吸気ポート側へ偏倚した部分に
指向させることで、上述した効果に加え、均一混合燃焼
時において燃料噴射時期を吸気行程後期から圧縮行程初
期に設定することで、吸気側の半分に可燃混合気を形成
することができ、その結果、弱成層化による希薄燃焼が
可能になる。又、高負荷時の均一混合燃焼においては、
吸気行程初期に燃料噴射開始時期を設定することで、イ
ンジェクタの噴孔から噴射される燃料噴霧が吸気弁に衝
突し拡散されるため、均一混合気が生成され易く良好な
燃焼を得ることができる。

【００３９】請求項３記載の発明によれば、請求項１記
載の発明において、前記タンブル流を吸気ポートから上
記ピストンキャビティを経て前記燃焼室の頂部方向へ導
かれる逆タンブル流とし、前記インジェクタの前記噴孔
を上記ピストンキャビティの排気ポート側へ偏倚した部
分に指向させることで、請求項１記載の発明の効果に加
え、点火プラグが必然的に排気ポート側に配設されるた
め、その分、吸気ポートの大径化が実現できると共に該
吸気ポートの形状をより吸入抵抗の少ないものとするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施の形態による筒内直噴式火花点火エン
ジンの燃焼室形状の概略図

【図２】同、シリンダヘッドを燃焼室側から見た底面図

【図３】第２実施の形態による筒内直噴式火花点火エン
ジンの燃焼室形状の概略図

【符号の説明】

１２ｂ…（燃焼室の）頂部 １３…ピストン １３ａ…ピストン頂面 １３ｂ…ピストンキャビティ １４…燃焼室 １５…インジェクタ １５ａ…噴孔 １６…吸気ポート １７…排気ポート ２３…点火プラグ ２３ａ…発火部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 吸気ポートを通過して供給される吸入空
   気にタンブル流を生起させる筒内直噴式火花点火エンジ
   ンにおいて、 ピストン頂面に上記吸気ポートから流入するタンブル流
   を上記燃焼室の頂部方向へガイドする曲面形状のピスト
   ンキャビティを形成し、 又上記燃焼室の頂部にインジェクタを配設すると共に、 上記インジェクタの噴孔を上記ピストンキャビティの上
   記タンブル流が上昇する側へ指向させ、 更に上記噴孔からの燃料噴射方向に点火プラグの発火部
   を配設したことを特徴とする筒内直噴式火花点火エンジ
   ンの燃焼室構造。
2. 【請求項２】 前記タンブル流が吸気ポートから前記燃
   焼室の頂部を経て前記ピストンキャビティへ導かれる正
   タンブル流であり、 前記インジェクタの前記噴孔が上記ピストンキャビティ
   の上記吸気ポート側へ偏倚した部分に指向されているこ
   とを特徴とする請求項１記載の筒内直噴式火花点火エン
   ジンの燃焼室構造。
3. 【請求項３】 前記タンブル流が吸気ポートから上記ピ
   ストンキャビティを経て前記燃焼室の頂部方向へ導かれ
   る逆タンブル流であり、 前記インジェクタの前記噴孔が上記ピストンキャビティ
   の排気ポート側へ偏倚した部分に指向されていることを
   特徴とする請求項１記載の筒内直噴式火花点火エンジン
   の燃焼室構造。