WO1996030632A1 - Moteur a combustion interne du type a injection dans le cylindre - Google Patents

Moteur a combustion interne du type a injection dans le cylindre Download PDF

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WO1996030632A1
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Hideyuki Oda
Kenji Goto
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Mitsubishi Jidosha Kogyo Kabushiki Kaisha
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an in-cylinder injection type internal combustion engine that injects fuel directly into a combustion chamber, and in particular, burns a lean mixture as a whole in a stable state, and performs a richer mixture than a lean mixture.
  • the present invention relates to a combustion chamber structure of an internal combustion engine designed to improve output when combusting air (for example, equivalent to a stoichiometric air-fuel ratio).
  • the mixed air supplied to the combustion chamber is ignited and burned by an ignition plug at a later stage of the compression stroke to generate combustion energy, and this energy is converted into rotational energy via a piston, a connecting rod and a crankshaft.
  • the output is converted and converted.
  • the amount of fuel corresponding to the amount of depression of an accelerator pedal is increased from an injection valve provided to face the combustion chamber, and the high compression inside the combustion chamber is performed.
  • the fuel spray is directly injected into the generated air, and the fuel spray is combusted by spontaneous combustion in the combustion chamber to generate combustion energy, which is converted to rotational energy and the output is taken out like a gasoline engine.
  • the intake air flowing into the upper combustion chamber is formed into a ⁇ -shaped vertical flow of fuel and air, and as a whole, It has been proposed to perform lean combustion with a mixed air leaner than the fuel ratio, improve the fuel efficiency of the engine, and suppress the generation of exhaust gas such as NOx, HC, and C0.
  • Japanese Patent Laid-Open Publication No. 5-240405 discloses the formation of the evening tumbling flow, which is one of such longitudinal eddies.
  • the technique described in the publication is to take an intake air flow from an intake boat of a cylinder head of the engine in parallel with a lower surface of the cylinder head, and then to apply the intake air flow to the combustion chamber.
  • the intake air flow is introduced downward along the inner wall of the cylinder on the side of the exhaust valve, and the direction of the intake air is reversed by the concave portion on the top surface of the piston that slides in the cylinder.
  • a structure has been proposed that generates a flow of intake air flowing upward from the upper surface of the piston along the cylinder inner wall on the intake valve side (hereinafter, this flow is referred to as a forward tumble flow).
  • the intake flow from the intake port is introduced downward along the cylinder inner wall on the intake valve side, and the intake flow is further applied to the top surface of the piston.
  • the direction in which the direction is reversed by the concave portion, and then the flow of the intake air flowing upward from the upper surface of the piston along the inner wall surface of the cylinder on the exhaust valve side is generated is called a reverse tumble flow.
  • the characteristic is ⁇ 4-1 6 6 6 1 2
  • the technique described in this publication is to dispose a pair of intake valves 6 on the inner wall portion of one of the cylinder heads and to provide the inner wall portion of the other cylinder head with a pair of intake valves 6.
  • a pair of exhaust valves 7 is provided, and an intake port having one end opened to the cylinder side wall and the other end connected to the intake opening slightly vertically is formed.
  • the top surface of the piston 2 extends from below the spark plug 10 to below the tip of the fuel injection valve 14.
  • An extended groove 15 is formed.
  • the concave groove 15 is formed in a substantially spherical surface symmetrical with respect to a vertical plane including the ignition plug 10 and the fuel injection valve 14 with respect to the concave portion 15, and is formed on the inner wall surface of the concave groove 15 below the ignition plug 10.
  • a fuel guide groove 16 extending in an arc shape from the bottom of the concave groove 15 toward the ignition plug 10 is formed in the fuel cell.
  • the injected fuel injected from the fuel injection valve 14 collides with the bottom of the concave groove 15, and is guided from the bottom of the concave groove 15 around the ignition plug 10 by the fuel guide groove 16. It is possible to form an air-fuel mixture around the spark plug 10 to improve ignitability.
  • a ball type As another in-cylinder injection type internal combustion engine, as shown in FIG. 16 and FIG. 17, in order to stabilize lean combustion, for example, a ball type It has been proposed to provide a recess c to burn a stratified tumble flow composed of a rich mixture and an ultra-lean mixture, so that lean combustion is performed with the overall air-fuel ratio being lean. . Then, in order to ensure ignitability during lean burn, for example, as shown in FIG. 14 and FIG. 15, concave grooves 15 and fuel guide grooves 16 are formed to ignite mixed fuel. As shown in Fig. 16 and Fig. 17, the ball-shaped recess c is formed around the spark plug to form a rich tumble flow near the spark plug. Are known.
  • a concave c is formed on the top surface of the biston.
  • a sharp edge d as shown by a solid line is required at the corner of the periphery of the opening where the inner surface of the ball-shaped concave portion c and the top surface of the biston intersect.
  • This edge d improves the separation from the concave portion c when the reverse tumble flow exits the combustion chamber from the inner surface of the concave portion c when fuel is injected late in the compression stroke in the low load and low rotation range. , Preserve the reverse tumble flow as much as possible Can stabilize stratified combustion.
  • a rich mixture for example, a mixture having a stoichiometric air-fuel ratio
  • a rich mixture for example, a mixture having a stoichiometric air-fuel ratio
  • the fuel is injected from the intake stroke to the first half of the compression stroke.
  • the edge d of the entire circumference of the concave portion c which is particularly high in temperature, is removed so that heat loss does not occur on the top surface of the piston even when richer air-fuel mixture is burned than during lean combustion.
  • a rounded f is formed on the entire circumference of the edge d as shown by a dotted line in FIG. 16 and FIG.
  • the height becomes lower with respect to the edge d, so that the surface area of the piston is reduced at the same time, the heat loss is reduced, and the engine output is improved.
  • the rounded f is formed on the entire periphery of the concave portion c, and the reverse tumble flow causes the compressed fluid in the concave portion c to flow out of the concave portion c. It was also found that it was impossible to stabilize the above-mentioned lean combustion because the maintenance of the reverse tumble flow was hindered.
  • the present invention has been made in view of such a problem, and in a cylinder injection type internal combustion engine, a concave portion is formed on an upper surface of the piston, and an intake air introduced into a combustion chamber of the engine is formed on a lower surface of a cylinder head. From the upper surface of the piston to the lower surface of the cylinder head, and promotes the generation of a self-vertical vortex at the top of the cylinder head. Revision The corners are formed to be duller than the corners on the outlet side of the vertical vortex of the recess, and a strong vertical flow is formed in the combustion chamber, and the mixture is rich and rich.
  • Another object of the present invention is to provide a highly efficient internal combustion engine capable of reducing heat loss and increasing output.
  • the present invention provides a combustion chamber formed by a lower surface of a cylinder head of an internal combustion engine and an upper surface of a piston fitted in the cylinder, and an intake air disposed on a lower surface of the cylinder head of the combustion chamber.
  • a fuel injection means for injecting fuel directly into the combustion chamber, wherein the biston is provided on an upper surface of the piston, and the longitudinal vortex is generated by intake air introduced into the combustion chamber via the intake valve.
  • a concave portion for promoting the peripheral portion of the concave portion.
  • a corner portion on the inlet side of the longitudinal vortex is formed to be duller than a corner portion on the periphery of the ⁇ portion on the outlet side of the longitudinal vortex.
  • the injector is configured such that the fuel is injected at an appropriate timing by the fuel injection means provided with the injection hole facing the combustion chamber, and the air is respectively sucked according to the injected timing. Mixed with ⁇ to generate a mixed atmosphere of ⁇ -like or even. Then, the vertical vortex flowing from the upper side to the lower side of the combustion chamber enters the inner surface of the concave portion from the inlet side of the peripheral portion of the concave portion, flows along the curved surface of the inner surface of the concave portion, and the outlet side of the peripheral portion of the concave portion.
  • the vortex is effectively separated by the corners and becomes a vertical vortex that has turned upwards above the combustion chamber.
  • the mixture is stratified and burns in a stable state to reduce fuel consumption, and the mixture is richer than in lean combustion. Even during operation, it is possible to obtain a highly efficient internal combustion engine capable of reducing heat loss on the top surface of the piston and improving output.
  • the inlet of the longitudinal vortex on the periphery of the concave portion is formed as an inclined portion such that a corner formed by the upper surface of the piston and the inner surface of the concave portion is inclined from the upper surface of the piston to the concave portion. May be.
  • the inclined portion may be formed in a gentle rounded shape from the upper surface side of the piston toward the inner surface side of the concave portion.
  • the inclined portion may be formed as an inclined surface that is linearly inclined from an upper surface side of the piston toward an inner surface side of the concave portion.
  • the vertical eddy current is effectively separated by the corner on the outlet side of the concave portion, and the lean side combustion by stratified combustion is enabled.
  • the gentle roundness or the inclined portion such as a linear inclined surface can reduce the heat loss and improve the output.
  • the inclined portion may be formed such that both ends in the direction of the crankshaft axis of the internal combustion engine on the inlet side of the periphery of the concave portion extend toward the outlet of the longitudinal vortex.
  • both end portions of the inclined portion are formed so as to extend toward the outlet of the vertical vortex, the surface area can be reduced as much as possible, and heat loss occurs in the high load region and the IE region.
  • the upper end of the recess ST is set at about 8 ⁇ around the outlet side while improving output. As a result, the air-fuel mixture can be effectively separated from each other, and the air-fuel mixture can be stratifiedly burned in a stable state to achieve low fuel consumption.
  • the inclined portion may be formed so that its size gradually decreases from the central portion on the entrance side of the periphery of the concave portion toward the both end portions.
  • the above-mentioned gradually decreasing portion is formed so that the size of the above-mentioned inclined portion gradually decreases from the inlet side of the vertical vortex toward the outlet side of the vertical vortex. Since the number of heat points can be greatly reduced, heat loss can be improved and output can be improved.
  • a corner formed by the upper surface of the piston and the inner surface of the concave portion may be formed in an edge shape.
  • the outlet side of the longitudinal vortex of the concave portion is formed to have an edge shape, the separating action of the vertical vortex can be secured, and stable lean combustion by stratified combustion can be obtained.
  • corner on the outlet side of the periphery of the concave portion may be formed into a sharp and sharp edge shape.
  • an outlet side of the vertical vortex around the concave portion may be formed substantially parallel to an imaginary plane including a crankshaft axis and a cylinder axis of the internal combustion engine.
  • the upper intake valve is provided at one side of the upper combustion chamber, and the upper intake The portion may be disposed eccentrically from the center of the top surface of the piston to the one side so as to face at least the intake valve.
  • the longitudinal vortex that has flowed downward from above the combustion chamber easily enters from the top surface of the piston and the inlet side of the concave portion, and flows along the curved surface of the inner surface of the concave portion. Inverted, the extruded portion is effectively stripped off by the corners on the outlet side of the peripheral edge of the concave portion, and becomes a vertical vortex in which the direction of the air-fuel mixture is turned upward above the combustion chamber. You can plan.
  • the concave portion may have an arc-shaped cross section along the flow direction of the vertical vortex.
  • the vertical vortex flowing from the upper side to the lower side of the combustion chamber can be smoothly inverted on the inner peripheral surface of the arc-shaped concave portion, and is effectively formed by the corner on the outlet side of the peripheral edge of the concave portion.
  • the air-fuel mixture is separated and becomes a vertical vortex that has turned to the upper side of the combustion chamber, so that the air-fuel mixture can be stratifiedly burned in a stable state to achieve low fuel consumption.
  • the recess may be formed in a spherical shape.
  • the vertical vortex flowing from the upper side to the lower side of the combustion chamber can be smoothly inverted on the inner peripheral surface of the spherical concave portion.
  • the air-fuel mixture is separated and turned into a vertical vortex in the direction of the upper part of the combustion chamber, so that the air-fuel mixture is stratified and burned in a stable state, thereby achieving low fuel consumption.
  • the lower surface of the cylinder head is formed in a pent-roof shape including an intake valve-side inclined lower surface formed on one side and an exhaust valve-side inclined lower surface formed on the other side.
  • the top surface is formed into an echelon vent roof shape having an intake valve side inclined upper surface and an exhaust valve side inclined upper surface formed to correspond to the intake valve side inclined lower surface and the exhaust valve side inclined lower surface, respectively.
  • the vertical vortex flowing from the upper side to the lower side of the combustion chamber is guided by the inclined portion on the inlet side of the periphery of the concave portion, enters the inner surface of the concave portion, and flows along the curved surface of the inner surface of the concave portion.
  • the vertical eddy current is effectively separated by the corners on the outlet side of the periphery of the concave portion and turned to the upper side of the combustion chamber. Fuel efficiency can be improved.
  • the concave portion is formed on the inclined upper surface on the intake valve side, and the outlet side of the vertical vortex is formed higher than the inlet side of the vertical vortex flow of the concave portion.
  • the longitudinal vortex flowing from above the combustion chamber downward may enter from the inlet side of the concave portion and reverse to generate a vertical vortex flowing upward in the combustion chamber.
  • the concave portion may be formed over the intake valve side inclined upper surface and the exhaust valve side inclined upper surface.
  • the vertical vortex flowing from the upper side to the lower side of the combustion chamber is guided by the inclined portion on the inlet side of the periphery of the concave portion, enters the inner surface of the concave portion, and flows along the curved surface of the inner surface of the concave portion.
  • the vertical eddy flow is effectively separated by the corners on the outlet side of the peripheral edge of the concave portion and turned into an upward direction in the combustion chamber, so that the vertical eddy current can be stratified and burned in a stable state to reduce fuel consumption.
  • a corner formed by the exhaust valve side inclined upper surface and the inner surface of the concave portion may be formed in an edge shape as an outlet side of the longitudinal vortex around the concave portion.
  • the intake port may be provided on one side of the virtual plane, and may extend vertically in the cylinder head along the virtual plane.
  • the intake air flow introduced into the combustion chamber from the intake port flows downward along the cylinder axis, and is inverted by the concave portion on the top surface of the piston and flows upward along the cylinder axis. Since the air-fuel mixture can occur, stratified charge combustion of the air-fuel mixture can be performed in a stable state to achieve low fuel consumption.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view schematically showing the inside of a direct injection internal combustion engine as a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view showing the entire internal configuration of the direct injection internal combustion engine as the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a cross section taken along a plane along a line DI-II of FIG. 2 in the direct injection internal combustion engine as the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an A-view of FIG. 1 in the direct injection internal combustion engine as the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing the suction action of FIG. 1 in the direct injection internal combustion engine as the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing a drive cycle of a four-cycle engine in the direct injection internal combustion engine as the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing a drive cycle in which the direct injection internal combustion engine as the first embodiment of the present invention is further applied to a two-cycle relationship.
  • FIG. 8 (A) is an enlarged cross section along line VIII-VIII of FI G. 3
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a case where the entrance side of the concave portion has a round shape M1.
  • FIG. 8 (B) is an enlarged cross-sectional view taken along the line VIII-VIII of FIG. 3 and is a cross-sectional view showing a case where the entrance side of the concave portion has a chamfered shape M1.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 3 showing a structural modification of the direct injection internal combustion engine as the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 3 in the direct injection internal combustion engine as the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 3 showing a structural modification of the direct injection internal combustion engine as the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a graph showing the throttle valve fully open characteristic by removing the edges of pistons (a), (b), and (c) as an effect of the direct injection internal combustion engine of the present invention.
  • FIG.13 (A) shows the fuel consumption characteristics during the compression stroke injection, and is the test result of the above piston (a).
  • FIG.13 (B) shows the fuel consumption characteristics during the compression stroke injection, and is the test result of piston (b) above.
  • FIG.13 (C) shows the fuel consumption characteristics during the compression stroke injection, and is the test result of the above-mentioned biston (c).
  • FIG. 14 is a schematic longitudinal sectional view showing the internal structure of a conventional direct injection internal combustion engine.
  • FIG. 15 is a schematic plan view showing the upper surface of the piston of FIG. 14.
  • FIG. 16 is a longitudinal sectional view schematically showing the inside of the direct-injection internal combustion engine considered in the process leading to the present invention.
  • FIG. 17 is a schematic plan view showing the upper surface of the biston of FIG. 16. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • the combustion chamber structure of this direct injection internal combustion engine has an engine body composed of a cylinder head 21 and a cylinder block 23.
  • a piston 22 is inserted into the third cylinder 23A.
  • the cylinder head 21 of the internal combustion engine is configured as a four-valve internal combustion engine having two intake valves on one side of the lower surface of each cylinder and two exhaust valves on the other side.
  • a combustion chamber 27 is formed between the top surface of the piston 22 and the lower surface 21 A of the cylinder head 21.
  • An intake port 24 communicates with the combustion chamber 27 via an intake opening 24 A on the lower surface 21 A of the cylinder head and an exhaust port 25 via an exhaust opening 25 A on the cylinder head. Have been.
  • An intake / exhaust valve (not shown) is provided at each of the intake / exhaust openings 24 A and 25 A of the intake port 24 and the exhaust port 25, respectively.
  • 24 A and 25 A are opened and closed c.
  • this combustion chamber 27 is made up of a cylinder 23 A cylinder head lower surface 21A was formed on one side of the virtual plane 40 around a virtual plane 40 including the central axis 42 of A and the axis of the crankshaft not shown. It is formed in a pen-tooth shape formed by an intake valve-side inclined lower surface and an exhaust valve-side inclined lower surface formed on the other side of the imaginary plane 40, and the top surface of the biston 22 is connected to the intake valve side.
  • the intake valve side inclined upper surface formed on one side of the virtual plane 40 and the exhaust valve side inclined upper surface formed on the other side of the virtual plane 40 correspond to the inclined lower surface and the exhaust valve side inclined lower surface, respectively. It has a pent roof shape. Two intake ports 24 are arranged on one side of the virtual plane 40 in the cylinder head 21, and two exhaust ports 25 are arranged on the other side of the virtual plane 40. Has been established.
  • a spark plug 30 is disposed at the center of the top of the combustion chamber 27, that is, on or near the virtual plane 40. Further, the above two intake ports 24 are provided substantially vertically upward in the cylinder head 21, and the intake openings 24 A of the intake ports 14 are provided on a virtual plane 40. It is arranged so as to face downward in the vicinity of.
  • an injector 2 serving as fuel injection means H for supplying fuel to the combustion chamber 27. Eight are arranged.
  • the injector 28 is provided so that an injection hole 28 A at the tip of the injector 28 faces the inside of the combustion chamber 27 from the side surface of the cylinder head 21, and the fuel is injected directly into the combustion chamber 27. It is supposed to.
  • the injector 28 is controlled by, for example, a controller (not shown), so that a predetermined amount of fuel is injected at a predetermined injection timing.
  • the controller injects fuel at a later stage of the compression stroke to form a reverse tumble flow of the rich mixture around the ignition plug at least in a low-load low-speed region.
  • control is performed so that fuel is injected from the early stage of the intake stroke in order to generate uniform mixed air in the combustion chamber.
  • the mounting portion of the injector 28 will be described. As described above, since the intake port 24 of the intake port 24 is provided substantially vertically upward from the cylinder head 21, the intake port 24 around the intake opening 24 A of the intake port 24 is formed. It is possible to secure enough space for mounting the loudspeaker.
  • the spark plug 30 by disposing the spark plug 30 on or near the virtual plane 40, the degree of freedom in setting the arrangement position of the injector 28 is large, and the injector 28 is optimal for fuel injection. It can be installed at the installation location.
  • a cooling water passage is provided around the injector 28 mounted in the cylinder head, so that the fuel injected into the injector 28 and the combustion chamber 27 can be effectively reduced. Cooling.
  • the cylinder 23A has a force with the piston 22 inserted therein, and the piston 22 has a top portion as shown in FIG. 1 and FIG.
  • a recess 22A is formed in a pentroof-shaped raised portion 22B composed of the intake valve side inclined upper surface and the exhaust valve side inclined upper surface.
  • the concave portion 22A is provided in a portion of the top of the piston 22 located below the intake opening 24A, and is formed so as to scrape the slope of the raised portion 22B downward. It is formed with a convex and concave curved surface.
  • the concave portion 22 A is provided at a position eccentric to the intake opening 24 A side with respect to the virtual plane 40, and for example, as shown in FIG. It was formed.
  • the corner where the inclined surface on the exhaust opening 5 A side of the raised portion 22 A and the inner surface of the concave portion 22 A intersects with the inner surface of the concave portion 22 A is formed at the outlet side of the vertical vortex around the concave portion. It has an edge shape M2.
  • the corner of the concave portion 22A on the inlet side of the vertical vortex is formed to be duller than the corner on the outlet side of the vertical vortex.
  • a squish area 22 C is provided between the ridge 22 B on the top surface of the piston 22 and the exhaust opening 25 A side above the combustion chamber 27. Is formed.
  • the intake air flowing from the intake port 24 is transferred to the piston 22 located below the cylinder 23A. After flowing toward the recess 22 a of the piston 22, it enters from the round shape M 1 on the inlet side of the longitudinal vortex of the recess 22 a and is guided along the inner surface of the recess 22 a. Due to the sharp pointed edge M2 on the outlet side of the vertical vortex, the vertical vortex is effectively separated and flows upward to form a reverse tumbling flow TF which is a vertical vortex.
  • the intake flow promotes the formation of the reverse tumbling flow TF along the concave portion 22A.
  • the injector 28 is controlled by a controller (not shown) so that a predetermined amount of fuel is injected at a predetermined injection timing (for example, such an internal combustion engine is a four-cycle engine).
  • a predetermined injection timing for example, such an internal combustion engine is a four-cycle engine.
  • the intake valve is opened at 0 ° before TDC (abbreviation of Top D ead C enter), the intake stroke is started, and the exhaust valve is closed after 0 ° of TDC, After that, Biston 22 descends to 180 ° at crank angle, during which time FI G. 1.
  • FI G. 5 a reverse tumble flow TF is generated, and during this reverse tumble flow TF, fuel is supplied from the injector 28 at a predetermined injection timing such as the intake stroke or the late stage of the compression stroke. It is injected.
  • an ignition circuit (not shown) is driven to start ignition processing of the ignition plug 30 (indicated by a triangle in FIG. 6).
  • the fuel mist is ignited and burned, and the in-cylinder pressure in the combustion chamber 27 rises, depressing the piston 22 to generate an output, and the combustion stroke becomes 540 ° in crank angle, that is, BDC (B ott orn D ead
  • an example of the injection timing of the injector 28 of the four-cycle engine is as follows. Injection is driven to PH, and in the low-load and low-speed range, the injection is controlled to be performed at the predetermined injection timing PL in the latter half of the compression stroke.
  • the fuel injection is delayed as in the latter half of the compression stroke, and the generation of the compact combustion chamber 27 A is waited.
  • the recess 22 A is guided to the spark plug 30 C. Since the fuel is injected toward the ignition plug, a rich tumble flow of the rich air-fuel mixture is formed in the ignition plug 30, and the stable ignitability by the stratified combustion can be sufficiently ensured.
  • the four-cycle gasoline engine has been described above.
  • the present invention may be applied to a two-cycle gasoline engine.
  • the previous combustion stroke is performed from 0 ° of TDC, and the exhaust valve is opened near the crank angle of 90 °, and the exhaust valve is opened. Further, when the crank angle reaches about 120 °, the intake valve (not shown) is opened, and the intake (scavenging) process is started. After the passage of BDC, the exhaust valve is closed near the crank angle of 230 ° and the intake valve is closed near the crank angle of 230 °, and the compression stroke is started. Then, the injector 28 is driven to inject fuel at a predetermined injection timing in the intake stroke or the compression stroke.
  • an ignition circuit (not shown) is driven to start the ignition processing of the ignition plug 30 (indicated by a symbol ⁇ in FIG. 7).
  • the fuel spray is ignited and burned, and the cylinder pressure in the combustion chamber 27 rises, pushing down the piston 22 and generating an output.
  • the injector 28 is controlled so that, for example, when the engine is under a high load and at a high speed, the injection is driven for a predetermined injection time P H, and when the engine is at a low load and a low speed, the injection is driven for a predetermined injection time P L.
  • the intake air flows from each intake port 24. It flows into the combustion chamber 27 through the intake opening 24A.
  • the injector 28 Since the injector 28 has the injection hole 28 A facing the combustion chamber 27 and is controlled by a controller (not shown), the fuel is injected at an appropriate timing. Depending on the timing to be mixed, each of them is mixed with the inhaled air to generate a stratified mixture or a homogeneous mixture.
  • the vertical vortex flowing from the upper part of the combustion chamber 27 to the lower part is formed on the inner surface of the recess 22A by the gentle round shape M1 on the top surface of the piston 22 and the inlet side of the recess 22A. It enters and flows along the curved surface of the inner surface of the concave portion 22 A, and the corner of the slope of the raised portion 22 B is sharply sharpened by the edge shape M 2 to effectively separate from the raised portion 22 B and the combustion chamber It becomes a vertical vortex that turned upward from 27.
  • the intake opening 24 A is provided on one side of the cylinder head 21 partitioned by the virtual plane 40, and the recess 22 A is provided below the intake opening 24 A. Since it is provided so as to face 4 A, the intake air flow is guided to the curved surface of the concave portion 22 A while flowing into the wall of the cylinder 23 A on the intake opening 24 A side of the concave portion 22 A. As a result, an upward flow flows toward the vicinity of the center of the lower surface 21A of the cylinder head along the curved surface of the recess 22A.
  • the vertical vortex of the intake air is again reduced to the cylinder 23 A on the intake opening 24 A side because the lower surface 21 A of the cylinder head has a bent bottom shape.
  • the intake port 24 extends vertically in the cylinder head 21 on one side of the virtual plane 40 along the virtual plane 40, the intake port 24
  • the intake air flowing into the combustion chamber 27 from below easily flows downward along the cylinder wall 23 A on the intake opening 24 A side, and the strong intake air flows downward (in the direction of the biston 22). It is introduced as a current, facilitating the formation of strong longitudinal vortices.
  • At least the concave side 22 A has a moderately round shape Ml on the inlet side of the vertical vortex, and at least the sharp ridge edge M2 on the outlet side of the vertical vortex.
  • the inlet side of the longitudinal vortex of the recess 22A that becomes a heat point such as a single inclined surface, a plurality of inclined surfaces in the inflow direction of the vertical vortex, or a combination of the inclined surface and the round shape If the shape is such that the corners of the piston 22 are removed and the surface area of the top surface of the piston 22 is reduced, the same operation and effect as those of the above embodiment can be obtained.
  • the size of the inclined portion M1 gradually becomes smaller toward the both ends in the direction of the crankshaft axis of the internal combustion engine on the inlet side of the periphery of the concave portion of the concave portion M1.
  • the whole of the gentle round shape M1 may have the same shape, and in this case, the same operation and effect as those of the above embodiment can be obtained.
  • FIG. 9 shows a modified example of the structure of the concave portion 22 A of the first embodiment of the present invention, which is formed so that the shape of the outlet side of the longitudinal vortex is substantially parallel to the virtual plane 40. I have.
  • the inner surface of the recess 2 2 A together with composed of a flat surface and a curved surface is configured as a double stand curvature surface, such that its junction smoothly RenMitsuru
  • the peripheral edge of the concave portion 22A is formed as a gentle round shape M1 on the inlet side of the vertical vortex, and the bent roof-shaped protrusion 22 on the outlet side of the vertical vortex.
  • the same operational effects as those of the first embodiment can be obtained by forming the edge M2 having a sharp point at the corner where the upper surface of the exhaust-side slope exceeding the ridgeline of B and the inner surface of the recess 22A intersect.
  • FIG. 10 is an explanatory view showing the shape of the concave portion at the top of the piston, and the gentle round shape M1 provided in the concave portion 22A has both ends extending to the edge shape M2 on the outlet side of the vertical vortex. It is formed so as to have gradually decreasing portions M3 and M4 in which the size of the rounded shape gradually decreases from the rounded shape M1 toward the edge-shaped shape M2 on the outlet side of the vertical vortex.
  • the gradual portions M 3 and M are formed so that the size of the rounded shape gradually increases from the inlet side of the longitudinal vortex to the outlet side of the longitudinal vortex, it is formed at the peripheral edge of the recess 22 A. Since the generated heat bottle can be greatly reduced, the heat loss can be improved and the output can be improved.
  • outlet side of the longitudinal vortex of the recess 22A is formed to have a sharp pointed edge M2 as in the first embodiment, so that the separating action of the vertical vortex can be secured, and The reverse tumble flow is maintained in the combustion chamber 27 A, and stable lean combustion by stratified combustion is obtained.
  • FIG. 11 shows a structural modification of the concave portion 22 A of the second embodiment of the present invention.
  • the concave portion 2 is formed such that the shape of the outlet side of the longitudinal vortex is substantially parallel to the virtual plane 40.
  • the inner surface of 2 A is configured as a compound curvature surface.
  • the exhaust opening 25, which is the outlet side of the vertical vortex, which is almost parallel to the ridgeline of the ridge 22B, is formed on the exhaust valve side inclined upper surface of the exhaust valve side M2. Flow Slowly rounded shape provided on the inlet side M1 Force ⁇ , From the rounded shape M1 to the above-mentioned both ends of the edge shape M2 over the ridge of the raised portion 22B, gradually reduced portions M3, M4 It is formed so that it may have.
  • peripheral edge of the concave portion 22A is formed as a gentle round shape Ml on the inlet side of the vertical vortex, and the round shape gradually decreases toward the edge shape M2.
  • M4 is formed, and at the outlet side of the longitudinal vortex, the corner substantially parallel to the virtual plane 40 is formed into a sharply pointed edge shape M2.
  • a formed gentle rounded shape M 1 as an inclined portion is not limited thereto, a single The inlet side of the longitudinal vortex of the recess 22A that becomes a heat point, such as one inclined surface, multiple inclined surfaces in the inflow direction of the vertical vortex, or combination of the inclined surface and round shape Remove the corners of It may have a shape to lack.
  • the shape of the gently rounded shape M1 is gradually increased toward both ends of the gently rounded shape M1 as the inclined portion, but the gently rounded shape M1 may have the same shape as a whole. Also, the same operation and effect as those of the second embodiment can be obtained.
  • FI G.12, FI G.13 (A), FI G.13 (B), and FI G.13 (C) are proposed in the internal combustion engine of the present invention and the research stage of the present invention. It shows the results of a comparison of the test results when the structure was operated under the following conditions.
  • FI G.12 shows the throttle valve fully open characteristics due to edge deletion, and the internal combustion engine is suctioned to a predetermined air-fuel ratio slightly more than the stoichiometric air-fuel ratio when the throttle valve is fully open. The amount of fuel is adjusted as air is added, and the pedestal is moved under conditions that allow fuel injection during the intake stroke. The respective torques are shown.
  • the squares in FIG. 12 indicate the piston (b) showing the structure according to one embodiment of the present invention, and the gentle round shape M is formed on the inlet side of the vertical vortex in the recess at the top of the piston. 1. It has the above-mentioned gradually decreasing portions M3 and M4 where the roundness gradually decreases on the side along the vertical vortex between the inlet side and the outlet side, and the above-mentioned edge shape M2 on the outlet side of the vertical vortex.
  • the triangle in FIG. 12 is for the piston (a), and has the above-mentioned full-circle edge at the opening periphery of the recess at the top of the piston.
  • the symbol “ ⁇ ” in FIG. 12 is for the piston (c), and the edge of the opening edge of the concave portion at the top of the piston is removed from the entire circumference to have a round shape.
  • the output torque improvement effect equivalent to that of the biston having the edge formed by removing the edge around the entire circumference and having the rounded shape is obtained. It can be seen that it is obtained.
  • FIG. 13 (A) shows the fuel consumption characteristics during the compression stroke injection, and shows the test results of the piston (a).
  • FIG. 13 (B) shows the results of the present invention.
  • FIG. 13 shows test results of the piston (b) according to the embodiment, and
  • FIG. 13 (C) shows test results of the above-mentioned biston (c).
  • the amount of fuel supplied to the internal combustion engine is fixed, and the air-fuel ratio is changed by gradually increasing the throttle valve opening (the amount of supplied air) in a region where the mixture becomes lean as a whole.
  • the fuel injection timing is changed at each air-fuel ratio, and the fuel tank is operated under such conditions that fuel injection is performed late in the compression stroke. It indicates the change in the cost rate and the misfire area (operation area where misfire occurs). From this test result, at the time of low-load low-speed rotation where fuel is injected late in the compression stroke, at least the longitudinal vortex exit side of the piston shown in the above pistons (a) and (b) has an edge-shaped screw.
  • the piston having the edge shape M2 on the outlet side of the vertical vortex flow of the present invention improves the separation of the reverse tumble flow, thereby improving the reverse tumble flow into the compact combustion chamber. It can be seen that, while maintaining the above, the fuel can be prevented from flowing out to the squish wheel, and a fuel efficiency almost equal to that of a piston having a full edge around the opening of the recess can be obtained.
  • the above-mentioned piston (b) has a slightly wider misfire area than the piston (a).
  • the intake air flow from the intake passage 24 is reversed from the cylinder wall on one side of the imaginary plane 40 to the cylinder wall on the other side by the recess 22 A at the top of the piston.
  • the above description has been made on the base that generates a so-called reverse tamper flow.
  • the above-mentioned intake flow enters at an angle with respect to the cylinder line and enters from one side of the imaginary plane 40, and the above-described other. So-called »page tumble, which flows along the lower surface of the cylinder head 21 on the side and flows from the above-mentioned cylinder wall on the other side to the cylinder wall on one side while being deflected by the recess 22A at the top of the piston.
  • the intake air introduced into the combustion chamber from the intake port flows downward along the cylinder axis, and is inverted at the concave portion on the top surface of the piston and flows upward along the cylinder axis.
  • the present invention is applied to a concave portion on the top surface of the biston, which generates a vortex, the same operation and effect as those of the above embodiments can be obtained.
  • the present embodiment has been described using a four-valve internal combustion engine with two intake valves and two exhaust valves, the present invention is not limited to a four-valve internal combustion engine.
  • two intake valves and one exhaust valve It can be applied to the three-valve internal combustion engine and various other internal combustion engines.
  • the concave portion is formed on the upper surface of the piston, and the intake air introduced into the combustion chamber of the engine is directed from the lower surface of the cylinder head to the upper surface of the piston.
  • the vertical vortex flows toward the bottom surface of the cylinder head from the upper surface of the piston again, and the corners of the concave portion on the inlet side of the vertical vortex flow form the vertical vortex current of the concave portion.
  • a strong vertical flow in the combustion chamber stably performing even in lean combustion with a stratified tumble flow composed of rich mixture and super-lean mixture.
  • heat loss can be reduced even when richer air-fuel mixture is burned than during lean combustion, improving the efficiency and output of the internal combustion engine. Can greatly contribute to

Description

明 細 書 筒内噴射型内燃機関 技術分野
本発明は、 燃料を直接燃焼室に噴射する筒内噴射型内燃機関に関し、 特に、 全体的に希薄な混合気を安定した伏態で燃焼させると共に、 希薄 な混合気よりもリ ッチな混合気 （例えば、 理論空燃比相当） を燃焼した ときの出力向上を図るようにした内燃機関の燃焼室構造に関する。 背景技術
周知のように、 内燃機関のうち、 ガソリ ンエンジンでは、 吸入行程で シリ ンダ内に流入した吸気量に見合った置の燃料を、 ィンジェクタから 吸気ポー 卜内に供袷して、 燃焼室内で混合気を形成している。
上記燃焼室に供袷された混台気は圧縮行程の後期で点火栓により着火 燃焼されて燃焼エネルギーを発生させ、 このエネルギーをピス トン、 コ ネクティ ングロッ ド及びクランクシャフ トを介して回転エネルギーに変 換して出力を取り出している。
又、 上記内燃機関のうち、 主に軽油等を燃料とするディーゼルェンジ ンでは、 該燃焼室に臨んで設けられた噴射弁からアクセルペダルの踏み 込み量に見合う燃料量を、 燃焼室内の高圧縮された空気に直接噴射して, この燃料噴霧を燃焼室内で自然発火により燃焼させて燃焼エネルギーを 発生させ、 ガソリンエンジンと同様に回転エネルギーに変換して出力を 取り出している。
又、 上述のようなガソリンエンジンにおいても、 上 ί己燃焼室内に流入 する吸気流を燃料と空氕の β状の縱¾流を开成して、 全体として理 空 燃比より も希薄な混台気で希薄燃焼を行ない、 ェンジンの燃費を改善す ると共に、 N O x， H C， C 0等の排ガスの発生を抑制するものが提案 されている。
このような縦渦流の一つである夕ンブル流を形成するには、 例えば特 開平 5 - 2 4 0 0 4 5号公報がある。
該公報記載の技術は、 上記エンジンのシリ ンダへッ ドの吸気ボー卜か らの吸気流をなるベく該シリ ンダへッ ド下面と平行に取り入れて、 その 後この吸気流を上記燃焼室の排気弁側のシリ ンダ内壁部に沿って吸気流 を下向きに導入して、 更にこの吸気流を該シリ ンダ内を摺動するビスト ン頂面の凹部で向きを反転させ、 その後に上記のピス トン上面から吸気 弁側のシリ ンダ内壁に沿って上向きに流す吸気の流れ （以下、 この流れ を順タンブル流という） を発生させるような構造が提案されている。 尚、 上記順タンブル流に対して、 上記の吸気ポー卜からの吸気流を吸 気弁側のシリ ンダ内壁部に沿って吸気流を下向きに導入し、 さらにこの 吸気流を上記のピストン頂面の凹部で向きを反転させ、 その後に上記の ビス卜ン上面から排気弁側のシリ ンダ内壁面に沿って上向きに流す吸気 の流れを発生させるものを逆タンブル流という。
ところで、 上述のようなガソリ ンエンジンにおいても、 上記燃焼室に 直接燃料噴射を行なって希薄燃焼により燃費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。
しかし、 このような特関平 5 - 2 4 0 0 4 5号公報に記載の構造を用 いて上圮順タンブル流を発生させるには、 上記の吸気ポー トをシリ ンダ へッ ドの下面となるべく平行に配設する必要があり、 筒内噴射型の内燃 ¾関では、 ィンジェクタの EI3:位 Bが十分に確保できない。
又、 上圮の逆タンブル流を発生させながら、 インジ クタの配 ¾を一 可能とする吸氕導通路の «造として、 例えは特閗^ 4 - 1 6 6 6 1 2 号公報記載の技術がある。
該公報記載の技術は、 F I G . 1 4に示したように、 一方の上記シリ ンダへッ ド内壁部分に一対の吸気弁 6を配設すると共に、 他方のシリ ン ダへッ ド内壁部分に一対の排気弁 7を配設し、 さらに一端がシリ ンダ側 壁に開口し他端が吸気開口に対してやや上下方向から接続された吸気ポ 一卜が形成されている。
しかしながら、 吸気開口から延びた吸気ポー卜がシリ ンダ側壁に開口 する該公報記載の技術の構造では、 イ ンジェクタ本体 1 4の冷却性や、 このィンジヱクタにより供袷される燃料の冷却性を考慮すると、 インジ ヱクタの配置スペースを十分確保するものではなかった。
一方、 該公報記載の技術では、 F I G . 1 4 , F I G . 1 5に示した ように、 ピストン 2の頂面には、 点火栓 1 0の下方から燃料噴射弁 1 4 の先端部の下方まで延びる凹溝 1 5が形成されている。
この凹溝 1 5は、 凹部 1 5に対する点火栓 1 0と燃料噴射弁 1 4 とを 含む垂直平面に関して対称な略球面伏に形成され、 点火栓 1 0下方の凹 溝 1 5の内壁面上には、 凹溝 1 5の底部から点火栓 1 0に向けて弧状を なして延びる燃料案内溝 1 6が形成されている。
これにより燃料噴射弁 1 4から噴射された噴射燃料が凹溝 1 5の底部 に衝突し、 凹溝 1 5の底部から燃料案内溝 1 6により点火栓 1 0の周り に導かれるようにして、 点火栓 1 0の廻りに澳混合気を形成可能とし、 着火性を改善する。
又、 その他の筒内噴射型内燃機関としては、 希薄燃焼を安定させるた めに、 F I G . 1 6 , F I G . 1 7に示すように、 同ピス ト ン aの頂面 に、 例えばボール型の凹部 cを設け、 リ ッチな混台気と超希薄な混合 気とからなる層状タンブル流を燃焼させることにより全体の空燃比をリ ーンとして希薄燃焼させるようにした のが提案されている。 そして、 希薄燃焼時の着火性の確保する上で、 例え F I G. 1 4, F I G. 1 5に示すように凹溝 1 5, 燃料案内溝 1 6を形成し混台気を点 火プラグ廻りに案内したり、 F I G. 1 6， F I G. 1 7に示すように、 ボール型の凹部 cを形成し点火プラグ近傍にリ ツチな混合気のタンブル 流を形成することが、 従来より知られている。
しかしながら、 F I G. 1 4， F I G. 15に示す凹溝 1 5， 燃料案 内溝 1 6や、 F I G. 16, F I G. 1 7に示す凹部 cをピス ト ン頂面 に形成すると開口周辺縁にエッジが発生することとなる。
尚、 例えば特開平 6 - 1 4 6886号公報に記載されているように、 例えば低負荷低回転域で点火ブラグ周辺に混合気を集中すベく圧縮行程 後期に燃料を噴射し、 高負荷高回転域で燃焼室内に均一な混台気を生成 すべく吸気行程の早期から燃料を噴射する技術が知られている。
そして、 本発明の発明者らの研究によって、 圧縮行程後期に亘つて点 火プラグ付近に燃料を噴射して、 点火プラグ廻りにリ ツチな混合気から なるタンブル流を形成し、 点火プラグから離れた領域では超希薄な混合 気からなるタンブル流を形成することにより層伏タンブル流を形成し希 薄燃焼時の着火性を確保する上で、 ビス卜ン頂面に必要とされている凹 溝には、 以下に示すような問題点が含まれていることを見出した。
即ち、 これを上記の F I G. 1 6， F I G. 1 7を用いて説明すると、 層状タンブル流を用いた希薄燃焼時の着火性を確保するためには、 ビス トン頂面に凹部 cを形成し、 そのボール型の凹部 cの内面とビストン頂 面とが交差する開口周縁の角部に、 実線で示すようなシャープなエツジ dが必要となる。
このエツジ dは、 低負荷低回転域で圧縮行程の後期に燃料を噴射する 際には、 上記逆タンブル流が、 凹部 cの内面から燃焼室に出る時に、 凹 部 cとの剝離を良く し、 逆タンブル流を極力保存し上記層状タンフル流 による層状燃焼を安定させることができる。
—方で、 高負荷域、 或いは高回転域では高出力化を図るべく希薄燃焼 時よりもリ ツチな混合気 （例えば、 理論空燃比相当の混合気） を燃焼室 内に均一に生成するように吸気行程から圧縮行程の前期に亘つて燃料を 噴射する。
この場合には、 この凹部 cの存在により、 ピス トン頂面の表面積が增 えることとなり、 その上、 この開口周縁のエッジ dが燃焼熱によってェ ッジ dの全周が特に高温となり、 熱損失が大きくなることで出力損失を 招く ことが判明した。
そこで、 特に高温となる凹部 cの全周のエッジ dを削除して、 希薄燃 焼時よりもリ ツチな混合気を燃焼した際にも、 ビス卜ン頂面に熱損失が 発生しないように、 例えば F I G . 1 6、 及び F I G . 1 7の凹部（：に ニ点鑌線で示すように、 エツジ dの全周に丸み f を形成することが考 えられる。
その結果、 F I G . 1 6に示したようにエッジ dに対して高さが低く なるので、 同時にピストン表面積を減少することとなり、 上記熱損失を 低弒することができ上記エンジン出力は向上するが、 この場合には、 低 負荷低回転域における層伏燃焼の際に、 凹部 cの全周縁に丸み f が形成 されているため、 逆タンブル流が凹部 c内の圧縮された流体が凹部 c外 に逃げ、 逆タンブル流の維持が阻害されて上記希薄燃焼の安定化を図る ことができないことも判明した。
本発明は、 このような課題に鑑み創案されたもので、 筒内噴射型内燃 機関において、 凹部を上記ピストン上面に形成し、 エンジンの燃焼室内 に導入された吸気流をシリ ンダへッ ド下面から同ビス卜ン上面方向へ向 力、い、 そして再びビスト ンの上面から同シリ ンダヘッ ドの下面方向へ向 かう上ま己縱渦流を生成助長すると共に、 同凹部の上 己縱渦流の入口刪の 角部を、 上記凹部の縦渦流の出口側の角部よりも鈍く形成して、 燃焼室 内に強い縱禍流を形成して、 リ ツチな混合気と超希薄な混台気とからな る層伏タンブル流による希薄燃焼でも安定して機関を運転できるように して低燃費化を図ると共に、 希薄燃焼時よりもリ ツチな混合気 （例えば、 理論空燃比相当） を燃焼した際にも、 熱損失を低減して高出力化を図る ような、 高効率の内燃機関を提供することを目的とする。
発明の開示
この本発明は、 内燃機関のシリ ンダへッ ド下面とシリ ンダ内に嵌挿さ れたピストン上面とで形成された燃焼室と、 上記燃焼室のシリ ンダへッ ド下面に配設された吸気弁と、 上記燃焼室のシリ ンダへッ ド下面に配設 された排気弁と、 下端が上記吸気弁を介して上記燃焼室に連通され、 上 記燃焼室内に吸気の縦渦流を生成する吸気ポー卜と、 下端が上記排気弁 を介して上記燃焼室に連通され、 上記燃焼室内の燃焼ガスを排出する排 気ポートと、 上記燃焼室のシリ ンダへッ ド下面に配設された点火プラグ と上記燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射手段とを備え、 上記ビス トンは、 該ピス トン上面に設けられ、 上記吸気弁を介して上記燃焼室に 導入される吸気による上記縦渦流の生成を助長する凹部を有し、 上記凹 部周縁の上記縱渦流の入口側の角部は、 上記 ω部周縁の上記縦渦流の出 口側の角部よりも鈍く形成されていることを特徴としている。
かかる構成により、 上記の内燃機関の吸気行程においては、 吸気流は 各吸気ポー卜から吸気開口を通じて燃焼室内に流入する。
そして、 インジュクタは、 噴射孔が燃焼室に臨んで設けられた上記燃 料噴射手段により燃料が適切なタイ ミ ングで噴射され、 ¾射されるタイ ミ ングに応じて、 それぞれ吸氕された空気と混台して β伏の混台気、 又 は均 ¾な混台気が生成される。 そして、 燃焼室の上方から下方に向かって流入した縦渦流は、 上記凹 部周縁の入口側より凹部の内面に進入し、 上記凹部の内面の湾曲面に沿 つて流れ、 上記凹部周縁の出口側の角部によって効果的に剥離し燃焼室 の上方に向きを変えた縦渦流となり、 上記混合気を安定した状態で層状 燃焼させ低燃費化をはかると共に、 希薄燃焼時よりもリッチな混合気で 運転する場合にも、 ビス卜ン頂面の熱損失を減少でき出力の向上を図る ことができる高効率の内燃機関を得ることができる。
上記凹部周縁の上記縦渦流の入口側は、 上記ビス卜ンの上面と上記凹 部の内面とで構成される角部が上記ビス卜ン上面から上記凹部側へ傾斜 するような傾斜部に形成してもよい。
又、 上記傾斜部は、 上記ピス ト ンの上面側から上記凹部の内面側へ向 かって緩やかな丸み形伏に形成してもよい。
又、 上記傾斜部は、 上記ピストンの上面側から上記凹部の内面側へ向 かって直線状に傾斜する傾斜面として形成してもよい。
かかる構成において、 低負荷低回転時、 凹部の出口側の角部によって、 縱渦流が効果的に剝離し、 層伏燃焼による希薄燃焼を可能としながら、 高負荷、 又は高回転時凹部の出口側のゆるやかな丸み、 或いは直線状の 傾斜面等の傾斜部によって、 熱損失を减少させて出力の向上を図ること ができる。
また、 上記傾斜部は、 上記凹部周縁の入口側の上記内燃機関のクラン クシャフ ト軸線方向の両端部が、 上記縱渦流の出口側に向かって延びる ように形成してもよい。
かかる構成において、 上記傾斜部の両端部を上記縱渦流の出口側に向 かって延びるように形成したので、 できるだけ表面積を ¾少することが できると共に、 高負荷域、 S回 IE域では熱掁失を弒少させ、 出力の向上 を図りながら、 低負荷低回 ϋ域では上 ί己凹 8Π周ほの出口側の角 ST,によつ て上記混合気を効果的に剝離せしめて上記混合気を安定した状態で層状 燃焼させ低燃費化を図るとことができる。
又、 上記傾斜部は、 上記凹部周縁の入口側中央部から上記両端部側に 向かって大きさが漸滅するように形成してもよい。
かかる構成において、 上記の漸減部は縱渦流の入口側から縦渦流の出 口側に向かって上記傾斜部の大きさが漸減するように形成されているの で、 凹部の周縁角部に発生するヒートポイ ン卜となる部分が大幅に减少 できるため、 熱損失を改善して出力向上が図れる。
更に、 上記凹部周縁の上記縦渦流の出口側は、 上記ピス ト ンの上面と 上記凹部の内面とで構成される角部がエツジ状に形成してもよい。 かかる構成において、 上記凹部の縦渦流の出口側は、 エッジ形状を成 すように形成されているため、 縦渦流の剝離作用が確保でき、 層伏燃焼 による安定した希薄燃焼が得られる。
又、 上記凹部周緣の上記出口側の角部が、 鋭く尖ったエッジ形状に形 成してもよい。
かかる構成において、 上記凹部の縱渦流の出口側は、 鋭く尖ったエツ ジ形伏を成すように形成されているため、 縦渦流の効果的な剥離作用が 確保でき、 層状燃焼による安定した希薄燃焼が得られる。
又、 上記凹部周緣の上記縦渦流の出口側が、 上記内燃機関のクランク シャフ ト軸線およびシリ ンダ軸線を含む仮想平面と略平行に形成しても よい。
かかる構成において、 上記凹部の縱渦流の出口側は、 上記仮想平面と 略平行に且つエツジ形伏に形成されているため、 上き己縱渦流の剥離作用 が確保され、 上紀縱渦流が排気側に逃げるのを防止して、 層状燃焼によ る安定した希薄燃焼が得られる。
更に、 上圮吸気弁が、 上 S己燃焼室の一側に 15けられると共に、 上 己凹 部は少なく とも上記吸気弁と対向するように、 上記ビス卜ン頂面の中央 から上記一側に偏心して配置してもよい。
かかる構成において、 上記燃焼室の上方から下方に向かって流入した 縱渦流は、 上記ピス トンの頂面及び凹部の入口側から容易に進入し、 上 記の凹部の内面の湾曲面に沿って流れ反転して、 上記凹部周縁の出口側 の角部によって効果的に剥離し燃焼室の上方に向きを変えた縱渦流とな り、 上記混合気を安定した伏態で層状燃焼させ低燃費化を図ることがで きる。
又、 上記凹部は、 上記縦渦流の流れ方向に沿う断面形状が、 円弧状に 形成してもよい。
かかる構成において、 上記燃焼室の上方から下方に向かって流入した 縱渦流は、 上記円弧状の凹部の内周面で円滑な反転ができるため、 上記 凹部周縁の出口側の角部によって効果的に剥離し燃焼室の上方に向きを 変えた縦渦流となり、 上記混合気を安定した状態で層状燃焼させ低燃費 化を図ることができる。
又、 上記凹部は、 球面伏に形成してもよい。
かかる構成において、 上記燃焼室の上方から下方に向かって流入した 縱渦流は、 上記球面状の凹部の内周面で円滑な反転ができるため、 上記 凹部周縁の出口側の角部によって効果的に剥離し燃焼室の上方に向きを 変えた縦渦流となり、 上記混合気を安定した状態で層伏燃焼させ低燃費 化を図ることができる。
更に、 上記シリンダへッ ド下面が、 上記一側に形成された吸気弁側傾 斜下面と上記他側に形成された排気弁側傾斜下面とからなるペントルー フ形状に形成され、 上記ピス トンの頂面が、 上記吸気弁側傾斜下面及び 排気弁側傾斜下面にそれぞれ対応するように形成された吸気弁側傾斜上 面及び排気弁側傾斜上面を有する上紀べン トルーフ形状に I 成して よ い。
かかる構成において、 上記燃焼室の上方から下方に向かって流入した 縦渦流は凹部周縁の入口側の傾斜部に誘導され上記凹部の内面に進入し、 上記の凹部の内面の湾曲面に沿って流れ、 上記凹部周縁の出口側の角部 によって効果的に剥離し燃焼室の上方に向きを変えた縦渦流となり、 上 記べン卜ルーフ形伏により上記縱渦流を安定した状態で層状燃焼させ低 燃費化を図ることができる。
更に、 上記凹部は、 上記吸気弁側傾斜上面に形成され、 更にその上記 縦渦流の出口側が、 上記凹部の上記縦渦流の入口側よりも高く形成され ている。
かかる構成において、 上記の燃焼室の上方から下方に向かって流入し た縱渦流は、 上記凹部の入口側から進入し反転して、 上記燃焼室の上方 に向きを変えた縱渦流を生成することを効果的に行うことができ、 上記 混合気を安定した状態で層状燃焼させ低燃費化を図ることができる。 又、 上記凹部が、 上記吸気弁側傾斜上面及び排気弁側傾斜上面に跨つ て形成してもよい。
かかる構成において、 上記燃焼室の上方から下方に向かって流入した 縱渦流は凹部周縁の入口側の傾斜部に誘導され上記凹部の内面に進入し、 上記の凹部の内面の湾曲面に沿って流れ、 上記凹部周縁の出口側の角部 によって効果的に剥離し燃焼室の上方に向きを変えた縱渦流となり、 上 記縱渦流を安定した伏態で層状燃焼させ低燃費化を図ることができる。 更に、 上記排気弁側傾斜上面と上記凹部の内面とで構成される角部が, 上記凹部周縁の上記縱渦流の出口側としてエツジ状に形成してもよい。 かかる構成において、 上記凹部の縱渦流の出口側は、 鋭く尖ったエツ ジ形伏を成すように形成されているため、 縱渦流の効果的な剥離作用が 確保でき、 B状燃焼による安定した希薄 焼が得られる。 更に、 上記吸気ポートは、 上記仮想平面の一側に設けられ、 且つ、 上 記仮想平面に沿って上記シリンダへッ ド内を上下方向に延びるように形 成してもよい。
かかる構成において、 吸気ポ一卜から燃焼室内に導入される吸気流が シリンダ軸線に沿って下方に流入し、 且つピストン頂面の凹部で反転さ れてシリンダ軸線に沿って上方に流れる縦渦流を生起することができる ので、 上記混合気を安定した状態で層伏燃焼させ低燃費化を図るとこと ができる。 図面の簡単な説明
F I G. 1は、 本発明の第 1実施例としての筒内噴射型内燃機関にお ける内部を模式的に示す縱断面図である。
F I G. 2は、 本発明の第 1実施例としての筒内噴射型内燃機関にお ける内部の全体構成を示す模式的な斜視図である。
F I G. 3は、 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 F I G. 2の DI— ΠΙ線に沿う平面によって切断した断面を示す横断 面図である。
F I G. 4は、 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 F I G. 1の A矢視図である。
F I G. 5は、 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 F I G. 1の吸入作用を示す説明図である。
F I G. 6は、 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 4サイクル機関の駆動サイクルを示す説明図である。
F I G. 7は、 本発明の第 1実施例としての筒内噴射型内燃機関をさ らに 2サイクル攆関に適用した駆動サイクルを示す説明図である。
F I G. 8 ( A) は、 F I G. 3の VIII ― VIII 線に う拡大断面 図であり、 凹部の入口側が丸み形状 M 1の場合を示す断面図である。
F I G. 8 (B) は、 F I G. 3の VIII— VIII 線に沿う拡大断面 図であり、 凹部の入口側が面取り形状 M 1の場合を示す断面図である。
F I G. 9は、 本発明の第 1実施例としての筒内噴射型内燃機関にお ける構造変形例を示す F I G. 3に相当する横断面図である。
F I G. 1 0は、 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 F I G. 3に相当する横断面図である。
F I G. 1 1は、 本発明の第 2実施例としての筒内噴射型内燃機関に おける構造変形例を示す F I G. 3に相当する横断面図である。
F I G. 1 2は、 本発明の筒内噴射型内燃機関における効果としてピ ストン （a) ， （b) , ( c ) のエッジ削除によるスロッ トル弁全開特 性を示すグラフである。
F I G. 1 3 (A) は、 圧縮行程噴射時の燃費特性を示すものであり、 上記ピス トン （a) の試験結果である。
F I G. 1 3 (B) は、 圧縮行程噴射時の燃費特性を示すものであり、 上記ピス ト ン （b) の試験結果である。
F I G. 13 (C) は、 圧縮行程噴射時の燃費特性を示すものであり、 上記ビストン （c) の試験結果である。
F I G. 14は、 従来例の筒内噴射型内燃機関の内部構造を示す概略 縱断面図である。
F I G. 1 5は、 F I G. 1 4のピス トン上面を示す概略平面図であ る。
F I G. 16は、 本発明に至る過程で考えられた筒内喷射型内燃機関 における内部を模式的に示す縱断面図である。
F I G. 1 7は、 F I G. 1 6のビストン上面を示す概略平面図であ る。 発明を実施するための最良の実施形態
以下、 本発明の実施例について説明する。
先ず、 F I G. 1〜F I G. 8を参照して、 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。
F I G. 1に示すように、 この筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造は、 シリ ンダへッ ド 2 1 とシリ ンダブロック 2 3とによりェンジン本体が構 成されており、 シリ ンダブロック 2 3のシリ ンダ 2 3 Aにはピス トン 2 2が嵌挿されている。
又、 この内燃機関のシリ ンダへッ ド 2 1は、 各気筒ともその下面の一 側に吸気 2弁， 他側に排気 2弁を備えた 4弁式内燃機関として構成され ている。
そして、 このピストン 2 2の頂面とシリ ンダへッ ド 2 1のシリ ンダへ ッ ド下面 2 1 Aとの間には、 燃焼室 2 7が形成されている。
このシリ ンダへッ ド下面 2 1 Aには吸気ポー 卜 2 4が吸気開口 2 4 A を介して、 また排気ポー卜 2 5が排気開口 2 5 Aを介して、 燃焼室 2 7 に連通接続されている。
又、 これら吸気ポー ト 2 4、 排気ポー 卜 2 5の吸排気開口 2 4 A, 2 5 Aには、 それぞれ図示しない吸排気弁が配設されており、 これらの吸 排気弁により吸排気開口 2 4 A, 2 5 Aが開閉されるようになっている c そして、 F I G. 1 , F I G. 2, F I G. 4に示すように、 この燃 焼室 2 7は、 シリ ンダ 2 3 Aの中心軸線 4 2と図示しないクランクシャ フ トの軸線とを含むような仮想平面 4 0を中心として、 シリ ンダへッ ド 下面 2 1 Aが、 仮想平面 4 0の一側に形成された吸気弁側傾斜下面と、 仮想平面 4 0の他側に形成された排気弁側傾斜下面とからなるペントル ーフ形伏に形成されると共に、 ビストン 2 2の頂面が、 上記の吸気弁側 傾斜下面及び排気弁側傾斜下面にそれぞれ対応するように、 仮想平面 4 0の一側に形成された吸気弁側傾斜上面と、 仮想平面 4 0の他側に形成 された排気弁側傾斜上面を有するペン卜ルーフ形伏に形成されている。 そしてシリ ンダへッ ド 2 1内の仮想平面 4 0の一方の側に 2つの吸気 ポー 卜 2 4が配設され、 この仮想平面 4 0の他方の側に 2つの排気ポー ト 2 5が配設されている。
又、 F I G . 1 , F I G . 4に示すように、 燃焼室 2 7の頂部中央、 即ち仮想平面 4 0上、 又はこの近傍に点火プラグ 3 0が配設されている。 又、 上記の 2つの吸気ポー 卜 2 4は、 シリ ンダへッ ド 2 1内を略鉛直 上方に向かって設けられており、 吸気ポー卜 1 4の吸気開口 2 4 Aは仮 想平面 4 0の近傍で、 下方に向くように配設されている。
そして、 シリ ンダへッ ド 2 1の吸気ポ一 卜 2 4側のシリ ンダへッ ド側 面には、 燃料を燃焼室 2 7に供袷するための、 燃料噴射手段 Hであるィ ンジヱクタ 2 8が配設されている。
このイ ンジェクタ 2 8は、 シリ ンダヘッ ド 2 1の側面からその先端部 の噴射孔 2 8 Aが燃焼室 2 7内に臨むように設けられており、 燃料を直 接燃焼室 2 7内に噴射するようになっている。
又、 このインジェクタ 2 8は、 例えば図示しないコントローラにより 制御されるようになっており、 これにより所定の噴射タイ ミ ングにおい て、 所定量の燃料が噴射されるようになっている。
そして、 後に詳細に説明するように、 コントローラは、 少なく とも低 負荷低回転域では点火ブラグ周辺にリ ツチな混合気の逆タンブル流を形 成すべく圧縮行程の後期に燃料を噴射し、 また高負荷域、 及び高回転域 では燃焼室内に均一な混台気を生成すべく吸気行程の早期から燃料を噴 射するように制御する。
ここで、 このイ ン ジェクタ 2 8の取付け部について說明すると、 2本 の吸気ポート 2 4は、 上述したようにシリ ンダへッ ド 2 1より略鉛直上 方に向かって設けられているので、 この吸気ポー 卜 2 4の吸気開口 2 4 Aの周囲にィンジュクタ 2 8を取り付けるのに十分なスペースを確保す ることができる。
その上、 仮想平面 4 0上、 又はこの近傍に点火プラグ 3 0を配設する ことにより、 インジェクタ 2 8の配置位置を設定する上でも自由度が大 きく、 インジェクタ 2 8を燃料噴射に最適な配設位置に設置することが できるようになつている。
また、 図示はされていないが、 シリ ンダへッ ド内に装着されたインジ ヱクタ 2 8の廻りに冷却水通路を設けることにより、 インジェクタ 2 8 及び燃焼室 2 7内に噴射される燃料を効果的に冷却することができる。 ところで、 上述したように、 このシリ ンダ 2 3 Aには、 ピストン 2 2 が嵌挿されている力く、 このピス トン 2 2は F I G . 1 , F I G . 2に示 すように、 その頂部の上記吸気弁側傾斜上面と、 排気弁側傾斜上面とか らなるペントルーフ形伏の隆起部 2 2 Bに、 凹部 2 2 Aが形成されてい る。
この凹部 2 2 Aは、 ピストン 2 2の頂部のうちの吸気開口 2 4 Aの下 方に位置した部分に設けられており、 隆起部 2 2 Bの斜面を下側に向か つて削り取るように、 下に凸伏の湾曲面で形成されている。
即ち、 この凹部 2 2 Aは、 仮想平面 4 0よりも吸気開口 2 4 A側に偏 心した位置に設けられ、 例えば F I G . 2に示すように、 下に凸状に « 曲した球面伏に形成されたものである。
これにより、 ビストン 2 2が圧縮行程終了時に達した時に、 F I G . 5に示すように、 ビストン 2 2の凹部 2 2 Aとシリ ンダ 2 3 Aの内壁と シリ ンダへッ ド 2 1の下面とにより囲まれ形成されたコンパク ト燃焼室 2 7 Aが形成される。 上記の凹部 2 2 Aの凹部周縁の縱渦流の出口側が F 〖 G. 1〜F 〖 G. 3に示したように、 傾斜部としての緩やかな矢印で示した範囲の丸み形 伏 M lに形成され、 又上記凹部周緣の縦渦流の出口側になる隆起部 2 2 Bの排気開口 5 A側の斜面と凹部 2 2 Aの内面とが交わる角部が鋭く 尖った矢印で示した範囲のエツジ形状 M 2に形成されている。
これにより、 凹部 2 2 Aの縦渦流の入口側の角部は、 縦渦流の出口側 の角部よりも鈍く形成されることとなる。
また、 F I G. 5に示すように、 ピストン 2 2の頂面の隆起部 2 2 B と燃焼室 2 7の上部の排気開□ 2 5 A側との間には、 スキッシュエリア 2 2 Cが形成されている。
これにより、 F I G. 1 , F I G. 2及び F I G. 5に示すように、 吸気ポー卜 2 4から流入した吸気流はシリ ンダ 2 3 A内の下方に位置す るピス トン 2 2に向かって流れた後、 ピストン 2 2の凹部 2 2 Aで、 凹 部 2 2 Aの縱渦流の入口側の丸み形状 M 1側から進入し凹部 2 2 Aの内 面に沿って案内されて、 縦渦流の出口側の鋭く尖ったエッジ形伏 M 2に より、 縱渦流が効果的に剝離され上向きに流れていき、 縱渦流である逆 夕ンブル流 TFを形成する。
従って、 燃焼室 2 7内では、 吸気流は、 この凹部 2 2 Aに沿って逆夕 ンブル流 T Fの形成を促進するようになっている。
そしてインジヱクタ 2 8は、 所定の喷射タイ ミ ングにおいて、 所定量 の燃料が噴射されるように、 図示しないコントローラにより制御される ( 尚、 このような内燃機関は、 例えば、 4サイクルエンジンの場合には. F I G. 6に示すように、 TDC (T o p D e a d C e n t e rの 略） の 0° 前より吸気弁を開き、 吸気行程に入るとともに TDCの 0° 経過後に排 5弁を閉じ、 前回よりの排気行程を完了させる。 この後、 ク ランク角で 1 8 0 ° までビストン 2 2は降下し、 この間、 F I G. 1. F I G. 5に示すように、 逆タンブル流 T Fが生成され、 この逆タンブ ル流 T F中にィンジ クタ 2 8より、 吸気行程、 或いは圧縮行程後期の ような所定の噴射タイ ミ ングで燃料が噴射される。
この後、 TD C 3 6 0 ° 前の所定点火時期に達すると図示しない点火 回路が駆動され点火プラグ 3 0の点火処理 （F I G. 6中に△印で示し た） に入る。 この点火処理によって、 燃料喷霧が着火燃焼されて燃焼室 2 7内の筒内圧が上昇し、 ピス ト ン 2 2を押し下げ出力を発生し、 燃焼 行程をクランク角で 5 4 0° 、 即ち、 B D C (B o t t orn D e a d
C e n t e rの略） 近くまで行なう。
またクランク角 4 8 0° 近傍では排気弁を開き、 クランク角が 7 2 0 ° 経過するまで排気行程を継続し、 次回の吸気行程のための吸気弁の開 弁処理を行ない、 4サイクルを完了する。
この 4サイクルェンジンのイ ンジヱクタ 2 8の噴射タイ ミ ングは、 そ の一例を F I G. 6に示すように、 機関が高負荷域、 及び高回転域では、 吸入行程の早期の所定噴射時期 P Hに噴射駆動し、 低負荷低回転域では、 圧縮行程後期の所定噴射時期 P Lに噴射駆動するように制御される。
この際に、 高負荷域及び高回転時には、 燃料と逆タンブル流 T Fをな す空気との混合を早期に開始すること、 および圧縮行程の後期にタンブ ル流の崩壊により混合気の攪拌が強化されることによって、 燃料混合の 均質化を促進し、 なめらかな急速燃焼の実現を図ることができる。
他方、 低負荷低回転時には圧縮行程の後期のように燃料噴射を遅らせ て、 コンパク 卜燃焼室 2 7 Aの生成を待ち、 ここで点火プラグ 3 0迴り に案内されるように凹部 2 2 Aに向けて燃料噴射を行なうため、 点火プ ラグ 3 0迴りにリ ツチな混合気の逆タンブル流が形成され層状燃焼によ る安定した着火性を十分確保することができる。
以上、 4サイ クルのガソリ ンエンジンについて説明したが、 これに代 えて、 2サイクルのガソ リ ンェンジンに本発明を適用してもよい。
この場合、 そのエンジンの本体の構成としては、 上述と同様のものが 使用可能である。
そして、 2サイクルエンジンの場合には、 F I G . 7に示すように、 T D Cの 0 ° より前回の燃焼行程を行ない、 クランク角で 9 0 ° 近傍で 図示しなし排気弁を開き、 排気行程に入り、 更に、 クランク角 1 2 0 ° 近くに達すると図示しない吸気弁を開き、 吸気 （掃気） 行程にも入る。 そして、 B D C経過後、 クランク角 2 3 0 ° 手前近傍で排気弁を閉じ、 さらにクランク角 2 7 0 ° 手前近傍で吸気弁を閉じ、 圧縮行程に入る。 そして、 吸気行程、 或いは圧縮行程の所定の噴射タイ ミ ングで燃料を噴 射すべく、 インジヱクタ 2 8が駆動される。
そして、 T D C前の所定点火時期に達すると、 図示しない点火回路が 駆動され点火プラグ 3 0の点火処理 （F I G . 7中、 △印で示した） に 入る。 この点火処理によって燃料噴霧が着火燃焼されて燃焼室 2 7の筒 内圧が上昇し、 ピス トン 2 2を押し下げ、 出力を発生する。
ここで、 インジ クタ 2 8は、 例えば、 機関が高負荷時、 及び高回転 時には所定噴射時間 P Hだけ噴射駆動し、 低負荷低回転時には所定噴射 時間 P Lだけ噴射駆動するように制御される。
これによつて、 高負荷時、 及び高回転時には、 燃料と縱渦流である逆 タンブル流 T Fをなす空気との混合を開始すること、 および圧縮行程の 後期にタンブル流の崩壊により混台気の攪拌が強化されることによって， 燃料混合の均質化を促進し、 なめらかな急速燃焼の実現を図ることがで さる c
他方、 低負荷低回転時には燃料噴射を遅らせて、 コンパク 卜燃焼室 2 7 Aの生成を待ち、 ここで点火プラグ 3 0迴りに案内されるように凹部 2 2 Aに向けて燃料噴射を行なう。 これにより、 点火プラグ 3 0廻りに リ ツチな混合気の逆タンブル流が形成され層状燃焼により着火性を十分 確保することができる。
本発明の第 1実施例としての筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造は、 上 述のように構成されているので、 エンジンの吸気行程においては、 吸気 流は各吸気ポ一ト 2 4から吸気開口 2 4 Aを通じて燃焼室 2 7内に流入 する。
そして、 インジヱクタ 2 8は、 噴射孔 2 8 Aが燃焼室 2 7に臨んで設 けられ、 又、 図示しないコン 卜ローラにより制御されているので、 燃料 が適切なタイ ミ ングで噴射され、 噴射されるタイ ミ ングに応じて、 それ ぞれ吸気された空気と混合して層状の混合気、 又は均質な混合気が生成 される。
そして、 燃焼室 2 7の上方から下方に向かって流入した縦渦流は、 ピ ストン 2 2の頂面及びこの凹部 2 2 Aの入口側の緩やかな丸み形状 M 1 より凹部 2 2 Aの内面に進入し、 凹部 2 2 A部の内面の湾曲面に沿って 流れ、 隆起部 2 2 Bの斜面の角部が鋭く尖ったエッジ形状 M 2によって 隆起部 2 2 Bより効果的に剝離し燃焼室 2 7の上方に向きを変えた縦渦 流となる。
つまり、 吸気開口 2 4 Aは仮想平面 4 0によって仕切られたシリ ンダ へッ ド 2 1の一方の側に設けられて、 凹部 2 2 Aは、 この吸気開口 2 4 Aの下方に吸気開口 2 4 Aと対向するように設けられているので、 吸気 流は、 凹部 2 2 Aの吸気開口 2 4 A側のシリ ンダ 2 3 Aの壁面側に流れ 込みながら、 凹部 2 2 Aの曲面に案内されて、 凹部 2 2 Aの湾曲面に沿 つてシリ ンダへッ ド下面 2 1 Aの中央部付近へ向かう上向きの流れとな る。
更に、 この吸気の縱渦流は、 シリ ンダヘッ ド下面 2 1 Aがベン トルー フ形伏となっているため、 再度吸気開口 2 4 A側のシリ ンダ 2 3 Aの
！ 9 面側に流れ込みながら凹部 2 2 Aに向かい強い逆タンブル流 T Fが形成 される。
又、 この時、 吸気ポー卜 2 4が仮想平面 4 0の一側のシリ ンダへッ ド 2 1内に、 この仮想平面 4 0に沿って上下方向に延びているため、 吸気 ポー ト 2 4から燃焼室 2 7内に流入する吸気流が、 吸気開口 2 4 A側の シリ ンダ壁面 2 3 Aに沿って下方に流入し易くなると共に、 下方 （ビス トン 2 2の方向） に向かう強い吸気流として導入し、 強い縦渦流の形成 を容易にしている。
そして、 凹部 2 2 Aの少なく とも縦渦流の入口側が緩やかな丸み形状 M lをなすと共に、 少なく とも縦渦流の出口側が鋭く尖ったエッジ形状 M 2に形成されている。
この結果、 この縦渦流の出口側がエツジ形伏 M 2に形成されているこ とにより、 同吸気流を凹部 2 2 Aから容易に剝離させ凹部 2 2 A内の湾 曲面に沿って吸気流を反転させることで流速を強化せしめて圧縮行程後 期まで逆タンブル流を維持することができる。
このため、 例えば低負荷低回転時に、 圧縮行程の後期に形成されるコ ンパク ト燃焼室 2 7 A内に燃料が点火プラグ 3 0に向かうように凹部 2 2 A内に供袷されると、 スキッシュエリア 2 2 C内への燃料の流れ混み を極力抑えながら、 燃料喷霧が凹部 2 2 A内の点火プラグ 3 0廻りに比 絞的リ ツチな混合気の逆タンブル流として滞留するとともに、 点火ブラ グ 3 0から離れた超希薄混合気の逆タンブル流による層状逆タンブル流 を形成し層状燃焼を行うことにより全体として希薄な混台気であるにも かかわらず、 安定した燃焼が得られ、 燃費率を向上することができる。 従って、 燃料喷霧がスキッシュエリア 2 2 C側に流れて未燃ガスとし て排出され、 そのために燃 g率が低下したり、 又排ガスが悪化する等の 不具台を未然に防止できる。
'J u 又、 縱渦流の出口側が緩やかな丸み形状 M 1に形成されていることに より、 少なく とも縦渦流の入口側の開口縁部の角部に対して燃焼熱が集 中的に作用せずヒー 卜ポイン卜が発生せず、 さらに角部を緩やかな丸み 形伏とすることでビス卜ン頂面の表面積も'减少できるため、 上記不具合 となっていた熱損失を減少させて、 エンジンの高出力化を図ることが可 能となる。
又、 上記実施例において、 F I G . 8 ( A ) に示したように傾斜部と して緩やかな丸み形伏 M 1に形成した構成について説明したが、 これに 限定されるものではなく、 例えば、 ピストン 2 2の頂面と凹部 2 2 Aの 内面とが交わる角部を直線状に傾斜する傾斜面となるように、 F I G . 8 ( B ) に示したように平面伏に切り取って面取りを行い単一の傾斜面 としたり、 この傾斜部を縦渦流の流入方向に複数の傾斜面としたり、 ま た傾斜面と丸み形状を組み合わせる等、 ヒートポィン 卜となる凹部 2 2 Aの縱渦流の入口側の角部を取り除きピストン 2 2の頂面の表面積を減 少させる形状であれば、 上記実施例と同様の作用効果を奏するものであ る。
又、 上記実施例の図面においては、 傾斜部として緩やかな丸み形状 M 1の上記凹部周縁の入口側の上記内燃機関のクランクシャフ ト軸線方向 の両端部に向かうに従って、 その大きさが漸减するように形成したが、 緩やかな丸み形状 M 1の全体を同一形伏としても良く、 この場合にも、 上記実施例と同様の作用効果を奏するものである。
F I G . 9は、 本発明の第 1実施例の凹部 2 2 Aの構造の変形例を示 すもので、 縱渦流の出口側の形状が仮想平面 4 0と略平行になるように 形成されている。
この場合には、 凹部 2 2 Aの内面が平面と曲面とからなるとともに、 その接合部が滑らかに連統するような複台曲率面として構成されている c そして第 1実施例と同様に凹部 2 2 Aの周縁角部を、 縦渦流の入口側 において緩やかな丸み形状 M 1 として形成すると共に、 縱渦流の出口側 において、 ベントルーフ形状の隆起部 2 2 Bの稜線を越えた排気側斜面 上面と凹部 2 2 Aの内面とが交わる角部が鋭く尖ったエツジ形状 M 2に 形成されていることによって、 第 1実施例と同様の作用効果を奏する。 次に、 本発明の第 2実施例について F I G . 1 0， F I G . 1 1を用 いて説明する。
上記第 1実施例と実質的に同一部位には同一符号を付して説明する。
F I G . 1 0はピストン上部の凹部形状を示す説明図であり、 凹部 2 2 Aに設けられた緩やかな丸み形状 M 1は、 その両端が縦渦流の出口側 のエツジ形状 M 2まで延びると共に、 同丸み形状 M 1から縦渦流の出口 側のエツジ形伏 M 2に向かって丸み形伏の大きさが漸減する漸減部 M 3 , M 4を有するように、 形成されているものである。
この漸弒部 M 3 , M は縦渦流の入口側から縦渦流の出口側に向かつ て丸み形状の大きさが漸弒するように形成されているので、 凹部 2 2 A の周縁角部に発生するヒー卜ボイン卜となる部分が大幅に減少できるた め、 熱損失を改善して出力向上が図れる。
また、 凹部 2 2 Aの縦渦流の出口側には、 第 1実施例同様の鋭く尖つ たエツジ形伏 M 2を成すように形成されているため、 縱渦流の剝離作用 が確保でき、 コンパク ト燃焼室 2 7 A内で逆タンブル流が維持され層状 燃焼による安定した希薄燃焼が得られる。
F I G . 1 1は、 本発明の第 2実施例の凹部 2 2 Aの構造変形例を示 すもので、 縱渦流の出口側の形伏が仮想平面 4 0と略平行になるように 凹部 2 2 Aの内面が複合曲率面として構成されている。 そして隆起部 2 2 Bの稜線と略平行の縱渦流の出口側である排気開口 2 5 A側の排気弁 側傾斜上面に锐く尖ったエツジ形伏 M 2に形成されると共に、 Ϊ ^咼流の 入口側に設けられた緩やかな丸み形状 M 1力 <、 同丸み形状 M 1から隆起 部 2 2 Bの稜線を越えてエツジ形状 M 2の上記両端に向かって漸減する 漸減部 M 3， M 4を有するように、 形成されているものである。
又、 凹部 2 2 Aの周縁角部を、 縦渦流の入口側において、 緩やかな丸 み形状 M lとして形成し、 且つエッジ形状 M 2に向かって丸み形状が漸 減する渐減部 M 3, M 4を有するように形成すると共に、 縦渦流の出口 側において、 仮想平面 4 0と略平行な角部が鋭く尖ったエッジ形状 M 2 に形成されていることによって、 第 2実施例と同様の作用効果を奏する c そして、 第 2実施例においても、 第 1実施例と同様に、 傾斜部として 緩やかな丸み形状 M 1に形成した構成について説明したが、 これに限定 されるものではなく、 単一の傾斜面としたり、 この傾斜部を縱渦流の流 入方向に複数の傾斜面としたり、 また傾斜面と丸み形状を組み合わせる 等、 ヒートポイン トとなる凹部 2 2 Aの縦渦流の入口側の角部を取り除 きピストン 2 2の頂面の表面積を减少させる形状としても良い。
又、 傾斜部として緩やかな丸み形伏 M 1の両端部に向かうに従ってそ の大きさが漸减するように形成したが、 緩やかな丸み形状 M 1の全体を 同一形状としてもよく、 これらの場合にも、 上記第 2実施例と同様の作 用効果を奏するものである。
又、 F I G. 1 2, F I G. 1 3 (A) , F I G. 1 3 (B) , F I G. 1 3 (C) は、 本発明の内燃機関、 及び本発明の研究段階で提案さ れた構造について、 以下に示すような条件で運転した場合の比較した試 験桔果を示すものである。
F I G. 1 2は、 エツジ削除によるスロッ トル弁全開特性を示すもの であり、 内燃機関をスロッ トル弁の全開状態で理論空燃比よりもやゃリ ツチな所定の空燃比となるように吸入空気の增加に伴い燃料量を調整す ると共に、 吸気行程中に燃料噴射を行うような条件で運 した場台のそ れぞれのトルクを示すものである。
即ち、 F I G. 1 2の□印は、 本発明の一実施例としての構造を示す ピストン （b) のものであり、 ピス トン頂部の凹部の縦渦流の入口側 に緩やかな上記丸み形状 M 1、 入口側と出口側の間の縦渦流に沿う側に 丸み形状が漸減する上記漸減部 M 3， M 4、 及び縦渦の出口側に上記ェ ッジ形状 M 2を有するものである。
又、 F I G. 1 2の〇印は、 ピストン （a) のものであり、 ビス卜ン 頂部の凹部の開口周縁に上記全周エツジを有するものである。
又、 F I G. 1 2の△印は、 ピストン （c) のものであり、 ビス卜ン 頂部の凹部の開口周縁のエツジを全周削除し丸み形状としたものである。
この試験結果から、 吸気行程に燃料を噴射するような高負荷時には、 上記凹部の角に丸み形状を有するピス トン （b) , (c) は、 殆ど同様 のトルクが得られると共に、 上記凹部の角にエツジを有するビス卜ン (a) に比べてほぼ低回転から高回転に至る略全体的にトルクが向上し ていることがわかる。
即ち、 高負荷時において本発明の縦渦の出口側にエツジ形伏 M 2を有 するビストンでも、 周縁のエツジを全周削除し丸み形伏としたビス卜ン と同等の出力トルク向上効果が得られることがわかる。
又、 F I G. 1 3 (A) は圧縮行程噴射時の燃費特性を示すものであ り、 上記ピストン （a) の試験結果であり、 F I G. 1 3 (B) は本発 明の一実施例に係わる上記ピストン （b) の試験結果であり、 F I G. 1 3 (C) は上記ビストン （ c ) の試験結果である。
又、 内燃機関に供袷する燃料量を固定し、 全体として希薄な混合気と なる領域でスロッ トル弁開度 （供袷する空気量） を段階的に增弒させて 空燃比を変化させ、 その各々の空燃比において燃料噴射時期を変化させ ると共に圧縮行程後期に燃料噴射を行うような条件で運転した場台の燃 費率の変化及び失火域 （失火が発生する運転領域） を示すものである。 この試験結果から、 圧縮行程後期に燃料を噴射するような低負荷低回 転時には、 上記ピス トン （a) ， (b) に示す凹部の少なく とも縱渦流 の出口側にエツジ形状を有するビス卜ンは、 殆ど同様の燃費率が得られ ると共に、 上記ピストン （ c ) に示す凹部の縦渦流の出口側を含めて全 周に丸み形状を有するビス 卜ンに比べて全体に燃費率が向上し、 且つ失 火域も狭い （運転条件が変化しても失火しにくい） ことがわかる。
即ち、 低負荷低回転時において本発明の縦渦流の出口側にエツジ形状 M 2を有するビス 卜ンでは、 逆タンブル流の剝離を良好とすることによ りコンパク 卜な燃焼室内に逆タンブル流を維持して燃料のスキッシユエ リァへの流出を防止して凹部の開口周縁に全周エツジを有するビス 卜ン と殆ど同等の燃費率が得られることがわかる。 尚、 失火域に関しては、 上記のピス ト ン （b) はピス ト ン （a) に比べ若干失火域が広い。
以上、 F I G. 1 2， F I G. 1 3 (A) , F I G. 1 3 (B) ， F I G. 1 3 (C) の試験結果から、 本発明のピス ト ン構造により、 全体 として希薄な混合気を層状燃焼する際に縱渦流の剥離を良好とし安定し た状態で燃焼させ低燃費化を図ると共に、 希薄燃焼時よりもリ ツチな混 合気 （理論空燃比相当の混台気） を燃焼した際にも、 熱損失を防止して 高出力化を図ることができる。
そして、 上記両実施例では、 吸気通路 2 4からの吸気流が上記仮想平 面 4 0の一側のシリ ンダ壁面から他側のシリ ンダ壁面にピス トン頂部の 凹部 2 2 Aで反転されて流れる、 所謂逆タンプル流を生成する場台につ いて説明したが、 上記吸気流がシリ ンダ蚰線に対して角度をなして流入 し、 且つ仮想平面 4 0の一側から進入して上記他側のシ リ ンダへッ ド 2 1の下面に沿って流れ、 上記他側のシリ ンダ壁面から一側のシリ ンダ壁 面にピストン頂部の凹部 2 2 Aで反 されて流れる、 所謂 »頁タンブル流 に適用しても、 上記両実施例と同様の作用効果を得ることができる。 言い換えれば、 吸気ポ一 卜から燃焼室内に導入される吸気流がシリ ン ダ軸線に沿って下方に流入し、 且つピストン頂面の凹部で反転されてシ リ ンダ軸線に沿って上方に流れる縦渦流を生起する、 ビス トン頂面の凹 部に適用しても上記両実施例と同様の作用効果を得ることができる。 本実施例は吸気 2弁， 排気 2弁の 4弁式内燃機関に用いて説明してい るが、 本発明は 4弁式内燃機関に限られるものではなく、 例えば、 吸気 2弁， 排気 1弁の 3弁式内燃機関やその他の種々の内燃機関にも適用す ることができる。 産業上の利用可能性
以上のように、 本発明の筒内噴射型内燃機関では、 凹部を上記ピスト ン上面に形成し、 エンジンの燃焼室内に導入された吸気流をシリ ンダへ ッ ド下面から同ビス卜ン上面方向へ向かい、 そして再びビス卜ンの上面 から同シリ ンダへッ ドの下面方向へ向かう上記縦渦流を生成助長すると 共に、 該凹部の上記縦渦流の入口側の角部が、 上記凹部の縦渦流の出口 側の角部よりも鈍く形成して、 燃焼室内に強い縱禍流を形成して、 リ ッ チな混合気と超希薄な混合気とからなる層状タンブル流による希薄燃焼 でも安定して機関を運転できるようにして低燃費化を図ると共に、 希薄 燃焼時よりもリ ツチな混合気を燃焼した際にも、 熱損失を低減できるよ うになり内燃機関の高効率及び高出力化の向上に大きく寄与しうるよう になる。

Claims

請求の範囲
1. 内燃機関のシリ ンダへッ ド下面 （ 2 1 A) とシリ ンダ内に嵌挿され たピス トン上面とで形成された燃焼室 （ 2 7 ) と、
上記燃焼室 （2 7 ) のシリ ンダへッ ド下面 （ 2 1 A) に配設された吸 気弁と、
上記燃焼室 （ 2 7 ) のシリ ンダへッ ド下面 （ 2 1 A) に配設された排 気弁と、
下端が上記吸気弁を介して上記燃焼室 （ 2 7 ) に連通路され、 上記燃 焼室 （ 2 7 ) 内に吸気の縦渦流を生成する吸気ポー 卜 （ 2 4 ) と、 下端が上記排気弁を介して上記燃焼室 （ 2 7 ) に連通され、 上記燃焼 室 （ 2 7 ) 内の燃焼ガスを排出する排気ポー 卜 （ 2 5 ) と、
上記燃焼室 （ 2 7 ) のシリ ンダへッ ド下面 （ 2 1 A) に配設された点火 プラグ （ 3 0 ) と、
上記燃焼室 （ 2 7 ) 内に直接燃料を噴射する燃料噴射手段 （H) とを 備え、
上記ピストン （ 2 2 ) は、 該ピストン （ 2 2 ) 上面に設けられ、 上記 吸気弁を介して上記燃焼室 （ 2 7 ) に導入される吸気による上記縦渦流 の生成を助長する凹部 （ 2 2 A) を有し、
上記凹部周縁の上記縱渦流の入口側の角部 （M l ) は、 上記凹部周縁 の上記縱渦流の出口側の角部 （M 2 ) よりも鈍く形成されていることを 特徴とする、 筒内噴射型内燃機関。
2. 上記凹部周縁の上記縱渦流の入口側は、 上記ピストン （ 2 2 ) の上 面と上記凹部 （ 2 2 A) の内面とで攙成される上記角部 M 1が上記ビス トン （ 2 2 ) 上面から上 己凹部 （ 2 2 A) 側へ傾斜するような傾斜 に 形成されることを特徴とする、 請求の範囲第 1項記載の筒内噴射型内燃 機関。
3. 上記傾斜部 （M l ) は、 上記ピス トンの上面側から上記凹部 （2 2 A) の内面側へ向かって緩やかな丸み形状に形成されたことを特徴と する、 請求の範囲第 2項記載の筒内噴射型内燃機関。
4. 上記傾斜部 （M l ) は、 上記ピストン （2 2 ) の上面側から上記凹 部 （ 2 2 A) の内面側へ向かって直線状に傾斜する傾斜面として形成さ れたことを特徴とする、 請求の範囲第 2項記載の筒内噴射型内燃機関。
5. 上記傾斜部 （M l ) は、 上記凹部周縁の入口側の上記内燃機関のク ランクシャフ ト蚰線方向の両端部が、 上記縱渦流の出口側に向かって延 びるように形成されていることを特徴とする、 請求の範囲第 2項記載の 筒内噴射型内燃機関。
6. 上記傾斜部 （M l ) は、 上記凹部周縁の入口側中央部から上記両端 部側に向かって大きさが漸減するように形成されたことを特徴とする、 請求の範囲第 2項〜第 5項の何れかに記載の筒内噴射型内燃機関。
7. 上記凹部周縁の上記縦渦流の出口側は、 上記ピス ト ン （2 2 ) の上 面と上記凹部 （ 2 2 A) の内面とで構成される角部がエツジ伏 （M 2 ) に形成されていることを特徴とする、 請求の範囲第 1項記載の筒内噴射 型内燃機関。
8. 上 S己凹部周縁の上記出口側の角部が、 锐く尖ったエッジ形伏 （M 2 ) に形成されていることを特徴とする、 請求の範囲第 7項記載の筒内 噴射型内燃機関。
9. 上記凹部周縁の上記縦渦流の出口側が、 上記内燃機関のクランクシ ャフ ト軸線およびシリ ンダ軸線を含む仮想平面 （ 4 0 ) と略平行に形成 されていることを特徴とする、 請求の範囲第 7項記載の筒内噴射型内燃 機関。
1 0. 上記吸気弁が、 上記燃焼室 （ 2 7 ) の一側に設けられるとともに, 上記凹部 （ 2 2 A) は少なく とも上記吸気弁と対向するように、 上記ピ ストン （ 2 2 ) 頂面の中央から上記一側に偏心して配置されていること を特徴とする、 請求の範囲第 1項記載の筒内噴射型内燃機関。
1 1. 上記凹部 （2 2 A) は、 上記縦渦流の流れ方向に沿う断面形伏が、 円弧状に形成されたことを特徴とする、 請求の範囲第 1 0項記載の筒内 噴射型内燃機関。
1 2. 上記凹部 （ 2 2 A) は、 球面伏に形成されたことを特徴とする、 請求の範囲第 1 0項記載の筒内噴射型内燃機関。
1 3. 上記シリ ンダへッ ド下面 （ 2 1 A) が、 上記一側に形成された吸 気弁側傾斜下面と上記他側に形成された排気弁側傾斜下面とからなるぺ ントルーフ形伏に形成され、 上記ビストン （ 2 2 ) の頂面が、 上記の吸 気弁側傾斜下面及び排気弁側傾斜下面にそれぞれ対応するように形成さ れた吸気弁側傾斜上面及び排気弁側傾斜上面を有する上 己ペン 卜ルーフ 形状に形成されていることを特徴とする、 身求の 15囲第 1項 己載の筒内 噴射型内燃機関。
1 4. 上記凹部 （ 2 2 A) は、 上記吸気弁側傾斜上面に形成され、 さら にその上記縦渦流の出口側が、 上記凹部 （ 2 2 ) の上記縦渦流の入口側 よりも高く形成されることを特徴とする請求の範囲第 1 3項記載の筒内 噴射型内燃機関。
1 5. 上記凹部 （ 2 2 A) 力 <、 上記吸気弁側傾斜上面及び排気弁側傾斜 上面に跨って形成されていることを特徴とする、 請求の範囲第 1 3項記 載の筒内噴射型内燃機関。
1 6. 上記排気弁側傾斜上面と上記凹部 （ 2 2 A) の内面とで構成され る角部が、 上記凹部周縁の上記縦渦流の出口側としてエッジ状 （M 2 ) に形成されていることを特徴とする、 請求の範囲第 1 5項記載の筒内噴 射型内燃機関。
1 7. 上記吸気ポート （ 2 4 ) は、 上記仮想平面 （ 4 0) の一側に設け られ、 且つ、 上記仮想平面 （ 4 0 ) に沿って上記シリ ンダへッ ド （ 2 1 ) 内を上下方向に延びることを特徴とする、 請求の範囲第 1項記載の 筒内噴射型内燃機関。
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