JPS63105228A - ガソリン機関の燃焼室 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、燃料噴射用インジェクタを備えたガソリン機
関の燃焼室および燃焼室周りの構造に関し、とくにピス
トン頂部に凹部を設けることにより燃焼室を構成した装
置の構造に関する。

［従来の技術］ ガソリン機関においては、燃焼速度を高めて燃焼効率の
向上をはかるとともに、ノッキングに対する配慮が必要
である。また、ＮＯｘとともに未燃ＨＣ排出の低減をは
かることも必要である。

従来の急速燃焼技術、たとえば多点点火のようなもので
は、混合気が勢いよく燃えすぎるおそれがあり、ＮＯＸ
の低減はあまり期待できなかった。

この種の機関においてＮＯＸ低減をはかるには、大ｆｆ
１ＥＧＲを行う必要がある。

また、従来の燃焼室では、燃焼室内に混合気流の強い乱
れがないため、燃焼効率を上げると、それにつれて部分
的に最高燃焼温度が上昇し、Ｎ。

×発生量が増加した。最高燃焼温度の局部的上昇を抑え
るには、燃焼室内に強い乱れを生じさせてかぎ混ざるこ
とが有効であるが、そうすると燃焼室壁面を通して燃焼
室室外に逃げる熱量が増大し、その分冷却損失が増大す
るという問題を招く。燃焼室内に強いスワールを発生さ
Ｕる構造としては、燃焼室室外のスワールポートとピス
トン頂部に設けた燃焼室を形成する凹部との共働により
スワールを生成する構造が知られている（特開昭５４−
１４５８０８＠公報）。しかし、この構造では、上記冷
却損失増大の問題の他、スワールポートを設けたため高
回転域において吸気抵抗が増大し、それに伴って出力低
下を招くという問題がある。

また、ＮＯｘ低減に有利な構造として、副室付機関があ
るが、副室からのガスが燃焼室壁面に勢いよく当たり該
壁面を通してピストン外に逃げる熱量が増加するため、
冷却損失の増大を伴なうという問題がある。′ このピストン頂部からの放熱ｍを抑え、冷却損失を低下
させる構造として、ピストン頂部に設けた四部壁部をセ
ラミックで構成し、燃焼室内を断熱化する構造が知られ
ている（特公昭５６−６１６＠公報、実開昭５９−１３
００４６号公報）。

しかしこれらの提案では、単にセラミックを使用すると
いうだけの開示しかなく、燃焼室内の混合気流との関連
の記載はない。

また、ノッキングを抑え、かつ燃焼速度を高めるために
、スキッシュ流の生成が有効であることはよく知られて
いる。しかしスキッシュによる効果を向上させるために
は、スキッシュエリアを広くする必要があるが、従来構
造においてスキッシュエリアを広くすると、同時にクエ
ンチエリアも広くなり、未燃ＨＣが増加するという問題
がある。

また、多バルブエンジン（たとえば４バルブエンジン）
では、燃焼室形状にあまり自由度がないため、スキッシ
ュエリア自体を大ぎくとることが困難であり、スキッシ
ュによる燃焼改善効果を向上することが困難な場合が多
かった。

上記のような種々の問題点の解決をはかるため、未だ出
願未公開の段階ではあるが、先に本出願人により次のよ
うな構造が提案されている。つまり、予混合ガソリン機
関において、ピストン頂部にシリンダヘッド下面側に向
かって開口する凹部を設けることにより燃焼室を形成し
、該凹部の開口部の開口面積を凹部内部に対し絞るとと
もに、ピストン上死点近傍においてシリンダヘッド下面
に突設された点火プラグを前記凹部内に挿入させるよう
にした構造である。凹部開口部が絞られることにより広
いスキッシュエリアが達成され、ノッキングが抑えられ
るとともに、該絞り部により、燃焼室内に流入する混合
気流に強い乱流が発生され、燃焼効率が高められるとと
もにＮＯＸが低減される。また、着火後膨張行程では、
燃焼室内からの噴流火炎が上記絞り部で速度を高められ
、急激にかつピストン頂部周辺部の隅々まで伝帳される
ので、未燃ＨＣの発生が低減される。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は、上記光に本出願人が提案した構造の、インジ
ェクタを備えたガソリン機関への展開をはかるものであ
り、先に提案した構造のざらに改良に係るものである。

すなわら、従来からエンジンの高圧縮技術は各種公表さ
れており、燃焼室周辺に広大なスキッシュエリアを設け
てエンドガスの冷却をねらい、ノッキングの抑制をはか
っている例が多くみられる。

しかし、このような高圧縮燃焼室では、パーシャル域で
はかなり燃費向上効果等が期待できるが、全負荷域にお
いては、必ずしも、広大なスキッシュエリアによるエン
ドガスの冷却だけでは、−（−分なノッキング抑制効果
は得られなかった。これは、従来エンジンでは、ノッキ
ング対策はエンド部の混合気を冷却するという考えによ
っているからであり、ノッキング発生部位から混合気を
取り除く、あるいはその部分をごく希薄な混合気にする
という考えに基づくものそはないからである。

本発明の目的は、先に本出願人が提案した予混合ガソリ
ン機関の燃焼室構造をインジェクタを有するガソリン機
関に展開し、乱流発生による燃焼効率の向上およびＮＯ
Ｘの低減、広いスキッシュエリアによるノッキングの抑
制、火炎伝播状態向上による未燃ＨＣ排出の低減を実現
するとともに、燃料の殆ど全量を燃焼室のみに入れてピ
ストン周辺部およびスキッシュエリアには供給されない
ようにすることにより、ざらに確実なノッキングの発生
防止および未燃ＨＣの低減をはかることにある。

［問題点を解決するための手段］ この目的に沿う本発明のガソリン機関の燃焼室は、吸気
ボートに燃焼室に向けて燃料を噴射するインジェクタを
設けたガソリン機関において、ピストン頂部にシリンダ
ヘッド下面側に向かって開口する凹部を設けることによ
り燃焼室を形成し、該凹部の開口部の開口面積を凹部内
部に対し絞るとともに、ピストン上死点近傍においてシ
リンダヘッド下面に突設された点火プラグを凹部内に挿
入させ、かつインジェクタからの燃料噴射タイミングを
吸気行程初期とするとともに、インジェクタからの燃料
噴霧”を燃焼室を形成する凹部内に指向させたものから
成る。

そして望ましくは、ピストン頂部の上記凹部内面部位の
みがセラミックで構成される。

［作　用］ このような燃焼室においては、吸気行程初期、たとえば
、ピストン上死点からクランク角で３０度〜４０度程度
までの間にインジェクタから凹部内部に燃料が噴射され
る。吸気行程初期には、ピストンがシリンダヘッド下面
からまだあまり離れていない位置にあるので、噴射され
た燃料は効率よくかつ確実に燃焼室を形成する凹部内に
噴射され、燃焼室内で混合気を形成する。そして吸気行
程後半には、空気のみが吸入され、この空気は凹部燃焼
室とともにピストン周辺部に吸入される。この状態で圧
縮行程に入るので、混合気は略その全量が凹部により形
成された燃焼室内に存在することになり、スキッシュエ
リア、ピストン周辺部には、空気のみ、あるいはごく希
薄な混合気しか存在しないことになる。圧縮行程におい
ては、ピストン周辺部側から中央部の燃焼室側へと流れ
るスキッシュ流が生じるが、このスキッシュエリアには
、混合気が供給されていないか又はごく希薄な混合気と
されるので、ノッキングが確実に抑制される。

つまり、凹部開口部を絞ることにＪ−り広いスキッシュ
エリアが確保され、それによって良好なスキッシュ流が
得られるが、それに加えスキッシュエリアに元々混合気
を供給しないことによって、一層確実にノッキングか防
止される。

また、圧縮行程においては、スキッシュに伴ない気流が
ピストン燃焼室内に流入するが、凹部開口部が絞られて
いるため、燃焼室内には強い乱流が生成される。この燃
焼室内の乱流は、スワールポートを設けることなく燃焼
室構造のみによって生じるものであるから、高回転域に
おいても吸気抵抗が乱流発生構造によって増大すること
はない。

そして、ピストン上死点近傍では、点火プラグが燃焼室
に挿入された状態になり、乱流が発生している燃焼室内
の混合気が着火され、燃焼室内で均一な燃焼が達成され
て燃焼効率が高められるとともにＮＯＸの発生は抑制さ
れる。

膨張行程においては、燃焼室内で着火された噴流火炎が
広がろうとするが、四部開口部が絞られているためその
部分で火炎伝播速度が高められ、火炎はスキフシ１エリ
ア方向に向けても急激に伝播し、この部分に拡散してい
た混合気も確実に燃焼される。また、このスキッシュエ
リア部分、ピストン周辺部分には元々混合気が供給され
ていないので、未燃ＨＣの発生は一層確実に抑制される
。

また、上記燃焼室内の強い乱流により、燃焼室内壁面を
介しての熱損失が増大しようとするが、凹部内壁面を比
較的薄いセラミック層で形成すれば、容易に凹部内のみ
を断熱化でき、ピストン周辺部の高熱化による不具合（
たとえば該部分のプレイブ、該部分高温化によるノッキ
ングの発生等）を防止しつつ、冷却損失の増大を防止で
きる。

［実施例］ 以下に、本発明の望ましい実施例を図面を参照して説明
する。

第１図および第２図は、本発明の一実施例に係るガソリ
ン機関の燃焼室を示しており、本発明を４バルブ機関に
適用した場合を示している。

図において、１は、ピストン頂面がフラットではなく屋
根形になった、いわゆるペントルーフ形のピストンを示
しており、２はシリンダブロック、３はシリンダボア、
４はシリンダヘッドをぞれぞれ示している。ピストン１
の頂部の中央部には、シリンダヘッド４の下面側に向か
って開口する四部５が設けられており、このピストン１
の頂面側とシリンダヘッド４の下面との間に燃焼室６が
形成される。

四部５は、その開口部５ａの開口面積が凹部内部に対し
絞られている。したがって、この凹部開口部５ａに至る
までのピストン頂面とシリンダヘッド下面とで形成され
るスキッシュエリア７は従来の単に凸部を設けただけの
場合よりも広くとられている。

第１図は、ピストン１が上死点近傍にあるときの状態を
示している。ピストン１の上死点近傍（たとえば上死点
からクランク角で３０度程度）において、シリンダヘッ
ド下面から突設されて点火プラグ８が凹部５内に挿入さ
れるよう、凹部５と点火プラグ８の位置関係が決められ
ている。したがってピストン１の上死点においては、点
火プラグ８の点火部８ａは完全に凹部５内に位置する。

凹部５の内面部位は、比較的薄いセラミック層９で構成
されている。このセラミックＭ９は、凹部５内面部位の
みに設けられ、他のピストン頂面部位およびシリンダヘ
ッド下面には設けられていない。ただし、本実施例では
セラミック層９を設けたが、セラミック層９を設けなく
ても、後述のノッキング抑制、燃焼効率の向上、ＮＯＸ
および未燃ＨＣの低減効果は得られるので、とくになく
てもよい。

第１図において、１０ａは吸気弁、１３は吸気ボート１
２に設けられた、燃料を噴射するインジェクタを示して
いる。本実施例では、インジェクタ１３は第２図に示す
ように一噴ロタイプのものに構成され−でおり、その燃
料噴霧１４は、吸気弁１０ａ、　１０ｂのうち一方の吸
気弁１０ａを通して燃焼室６に噴射される。このインジ
ェクタ１３からの燃料噴０−Ｊタイミングは、第５図お
よび第６図に示すように、吸気行程の初期、たとえば上
死点からクランク角で３０度程度までの間とされている
。そして、インジェクタ１３からの燃料噴霧１４は、凹
部５内に指向されている。なお、図における１５ａ、１
５ｂは排気弁を示している。

上記インジェクタは、第３図又は第４図に示すように構
成されてもよい。第３図は、インジェクタ２０を吸気ポ
ート２１の中央部で隔壁２２の上流側に設け、かつイン
ジェクタ２０を二項ロタイブのものに構成し、各燃料噴
霧２３ａ、２３ｂを吸気弁２４ａ１２４ｂを通して四部
２５内に指向させた構造を示している。第４図は、ざら
に精度のよい燃料噴霧３０の凹部３１内への指向性を得
るために、インジェクタ３２の先端部３２ａを吸気弁３
３に近づけた構造を示している。

上記のように構成された実施例装置の作用について説明
する。

第５図に示すように、インジェクタ１３からは、吸気行
程初期に燃料が噴射され、燃料噴霧１４は、燃焼室６を
形成する凹部５内に指向される。第６図に吸気弁リフト
但、ピストン移動距離とクランク角との関係を示すよう
に、吸気行程初期においては、吸気弁リフトにより弁部
に燃料噴霧１４が通過できるだけの隙間があけられるが
、ピストン１の下方に向けての移動距離はそれ程大きく
はない。

したかつて、上方に位置するピストン１の頂部四部５内
に、容易に燃料噴霧１４か噴射される。そして、凹部５
内で混合気が形成される。それ以降の吸気行程では、吸
気弁１０ａ、１０ｂからは空気のみが吸入され、この吸
入空気は、凹部５内で混合気形成用に使用されるととも
にピストン周辺部に吸入される。したがって、実質的に
混合気は凹部５内のみで生成され、スキッシュエリア、
ピストン周辺部では空気のみ、あるいはごく希薄な混合
気とされる。

この状態で圧縮行程に入り、圧縮行程後半ではスキッシ
ュ流が生じる。この圧縮行程から点火プラグ８による着
火までの間には、上述の如く、ピストン周辺部やスキッ
シュエリアには空気若しくは非常に希薄な混合気しか存
在しないので、自発火が抑えられてノッキングの発生が
防止される。

第７図に示すように、ピストン１が圧縮行程にあるとき
には、凹部開口部５ａが絞られて広いスキッシュエリア
がとられているので混合気の強力なスキッシュ流Ａが生
じ、燃焼室６内に流入する気流には、凹部開口部５ａの
絞りにより強い乱流Ｂが生じる。この乱流は、開口部５
ａの絞り効果により発生するものであるから、吸気ポー
トとは無関係であり、高回転域においても吸気抵抗を増
大させることなく発生される。また、広いスキッシュエ
リア形成により、ノッキングの発生がざらに抑えられる
。

ピストン１が上死点又はその近傍に到達すると、第８図
に示すように、点火プラグ８が凹部５内に挿入され、燃
焼室６内の強い乱れＢが生じている混合気に着火される
。混合気は強い乱流Ｂ状態にあるで燃焼室６内で均一に
燃焼され、局部的に燃焼温度が異常高温になることはな
く、ＮＯＸは低減される。また、火炎も乱流中を急激に
伝帳される。

膨張行程においては、第９図に示すように、凹部５内か
ら凹部５外へと広がる噴流火炎Ｃは、凹部開口部５ａが
絞られているためこの部分で速度が増大され、急激に伝
帳する。そのため、燃焼速度が高められて燃焼期間が短
縮されるとともに、火炎はシリンダ内の隅々まで到達す
る。したがってこの火炎の到達で、ノッキング対策のた
めに広いスキッシュエリアで冷却された未燃カスか燃焼
され、未燃ＨＣの排出が抑えられる。

また、前述の如く、スキッシュエリア或いはビス１〜ン
周辺部には元々空気若しくは非常に薄い混合気しか存在
しないので、未燃ＨＣを発生させる要因がないか、ある
いはあったとしても上述の良好な火炎伝帳により確実に
燃焼され、未燃ＨＣの発生が抑えられる。

さらに、燃焼室６内で強い乱流を発生させる結果、凹部
５内壁面を介しての熱損失は増大しようとするが、ピス
トン燃焼室内壁面をセラミックで構成することにより、
凹部５内のみ効率よく断熱され、放熱量が抑えられる。

その結果、この部分からの放熱による冷却損失の増大が
抑えられる。

この場合、凹部５内壁面以外にはセラミック層は設けら
れないので、ピストン１の周辺部からは適当にシリンダ
ブロック側に放熱され、周辺部の異常高温化は防止され
る。又、凹部内のみが高温化され、この部分に供給され
た混合気は良好に霧化される。

［考案の効果］ 以上説明したように、本発明のガソリン機関の燃焼室に
よるときは、ピストン頂部の燃焼室を形成する四部の開
口部を絞って燃焼室内に強い乱流を発生させるとともに
、インジェクタからの燃料噴霧を吸気行程初期に凹部内
に向けて噴射させ、混合気を実質的に凹部内のみで生成
させるようにしたので、燃焼効率の向上、ＮＯｘの低減
を達成しつつ、確実なノッキング発生の抑制と未燃ＨＣ
発生の大幅な低減との両方を達成することができる。

ざらに、凹部内壁面部位をセラミックで構成すれば、ピ
ストン周辺部の異常高温化を防止しつつ燃焼室からの放
熱量を抑えることができ、冷却損失の増大を抑制するこ
とができる。

本発明はとくに多バルブエンジンに用いて最適であり、
限られた設計自由度内で、効率よく、燃焼室内のみへの
混合気流人、燃焼室内乱流発生、広いスキッシュエリア
、火炎伝播速度向上を達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るガソリン機関の燃焼室
の縦断面図、 第２図は第１図の装置の透視平面図、 第３図は第２図の装置とは別の実施例に係る装置の透視
平面図、 第４図は第２図の装置とはさらに別の実施例に係る装置
の透視平面図、 第５図はクランク角と燃料噴射期間との関係図、第６図
はクランク角と吸気弁リフト母およびピストン移動距離
との関係図、 第７図は第１図の装置の圧縮行程における概略構成図、 第８図は第１図の装置のピストン上死点における概略構
成図、 第９図は第１図の装置の膨張行程における概略構成図、 である。 １・・・・・・・・・・・・ピストン ２・・・・・・・・・・・・シリンダブロック３・・・
・・・・・・・・・シリンダポア４・・・・・・・・・
・・・シリンダヘッド５．２５．３１・・・凹部 ５ａ・・・・・・・・・開口部 ６・・・・・・・・・・・・燃焼室 ７・・・・・・・・・・・・スキッシュエリア８・・・
・・・・・・・・・点火プラグ９・・・・・・・・・・
・・セラミック層１０ａ、　ｉｏｂ、　２４ａ、　２４
ｂ、　３３・・・吸気弁１２．１２・・・・・・吸気ポ
ート １３．２０．３２・・・インジェクタ １４．２３ａ　、　２Ｇｂ　、　３０−・・燃料噴霧１
５ａ、１５ｂ−・・排気弁

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）吸気ポートに燃焼室に向けて燃料を噴射するイン
   ジェクタを設けたガソリン機関において、ピストン頂部
   にシリンダヘッド下面側に向かつて開口する凹部を設け
   ることにより燃焼室を形成し、該凹部の開口部の開口面
   積を凹部内部に対し絞るとともに、ピストン上死点近傍
   においてシリンダヘッド下面に突設された点火プラグを
   前記凹部内に挿入させ、かつ前記インジェクタからの燃
   料噴射タイミングを吸気行程初期とするとともに、イン
   ジェクタからの燃料噴霧を前記凹部内に指向させたこと
   を特徴とするガソリン機関の燃焼室。