JP2000337153A - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧縮行程後半にピストン頂面に形成されたキ
ャビティ内に噴射された燃料をキャビティの底壁上を進
行させて対向側壁によって点火プラグ近傍に導く筒内噴
射式火花点火内燃機関において、圧縮行程末期で形成さ
れるピストン頂面と気筒上部壁との間の隙間を規定し、
最適なスキッシュ流及び逆スキッシュ流を発生させ、良
好な成層燃焼を実現することである。 【解決手段】 ピストン頂面に形成されたキャビティ８
は、底壁８ａと、燃料噴射弁側側壁８ｂと、燃料噴射弁
側側壁に対向する対向側壁８ｃとを有し、圧縮行程末期
におけるピストン頂面と気筒上部壁との間の隙間は、キ
ャビティの対向側壁近傍に比較して燃料噴射弁側側壁近
傍において大きくされている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、筒内噴射式火花点
火内燃機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴
射弁を具備する筒内噴射式火花点火内燃機関は、圧縮行
程末期にピストン頂面に形成されたキャビティ内へ燃料
を噴射することにより、燃料を高温の空気とピストン熱
とを利用して気化させると共に点火プラグ近傍へ導き、
点火時点において、着火性の良好な可燃混合気を点火プ
ラグ近傍だけに形成し、気筒内全体としてリーンな混合
気を燃焼可能な成層燃焼を実現するものである。

【０００３】特開平９−１５８７３６号公報に開示され
ている筒内噴射式火花点火内燃機関のように、一般的に
は、燃料噴射弁は気筒上部周囲の吸気ポート側に配置さ
れ、点火プラグは気筒上部略中心に配置されている。ま
た、ピストン頂面に形成されたキャビティは、燃料噴射
弁から噴射された燃料が衝突する底壁と、燃料噴射弁側
側壁と、燃料噴射弁側側壁に対向する対向側壁とを有し
ており、この対向側壁によって、衝突後に底壁に沿って
進行する燃料を点火プラグ近傍に偏向するようになって
いる。

【０００４】この従来技術において、燃料噴射弁は、燃
料を比較的厚さの薄い平らな扇状に噴射するものであ
り、キャビティの底壁上を進行する燃料は、幅方向に拡
がって、周囲空気及び底壁の広範囲部分から熱吸収する
ために気化し易い。キャビティの対向側壁は、平面視に
おいて円弧形状を有しているために、幅方向に拡がって
良好に気化しつつある燃料各部分を点火プラグ近傍に集
合させて可燃混合気を形成できるとしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
従来技術では、圧縮行程末期で形成されるピストン頂面
と気筒上部壁との間の隙間について規定していない。こ
の隙間は、圧縮行程末期においてキャビティ内へ流入す
るスキッシュ流を発生させ、また、膨張行程初期におい
てキャビティ内から流出する逆スキッシュ流を発生させ
るものであり、発生するスキッシュ流又は逆スキッシュ
流によっては、点火プラグ近傍に可燃混合気が形成され
ても良好に燃焼させることができず、未燃燃料が増加し
たりする。

【０００６】従って、本発明の目的は、圧縮行程後半に
ピストン頂面に形成されたキャビティ内に噴射された燃
料をキャビティの底壁上を進行させて対向側壁によって
点火プラグ近傍に導く筒内噴射式火花点火内燃機関にお
いて、圧縮行程末期で形成されるピストン頂面と気筒上
部壁との間の隙間を規定し、最適なスキッシュ流及び逆
スキッシュ流を発生させ、良好な成層燃焼を実現するこ
とである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による請求項１に
記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、気筒上部壁に配
置された点火プラグと、気筒内へ直接的に燃料を噴射す
る燃料噴射弁と、ピストン頂面に形成されたキャビティ
とを具備し、前記キャビティは、底壁と、燃料噴射弁側
側壁と、前記燃料噴射弁側側壁に対向する対向側壁とを
有し、前記燃料噴射弁から圧縮行程後半に前記キャビテ
ィ内に噴射された燃料を、前記キャビティの前記底壁上
を進行させた後に前記対向側壁によって偏向して前記点
火プラグ近傍に導く筒内噴射式火花点火内燃機関におい
て、圧縮行程末期における前記ピストン頂面と前記気筒
上部壁との間の隙間は、前記キャビティの前記対向側壁
近傍に比較して前記燃料噴射弁側側壁近傍において大き
くされていることを特徴とする。

【０００８】また、本発明による請求項２に記載の筒内
噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射
式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁は、比較
的厚さの薄い略扇形状に燃料を噴射することを特徴とす
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明による筒内噴射式
火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図であ
る。図２は、図１のピストンの平面図である。これらの
図において、１は吸気ポート、２は排気ポートである。
吸気ポート１は吸気弁３を介して、排気ポート２は排気
弁４を介して、それぞれ気筒内へ通じている。本実施形
態における筒内噴射式火花点火内燃機関は、特に、二つ
の吸気ポート１及び吸気弁３と、二つの排気ポート２及
び排気弁４とを有する吸排気二弁式であるが、これは、
本発明を限定するものではない。５はピストンであり、
その頂面には吸気弁３側に偏在して凹状のキャビティ８
が形成されている。６は気筒上部壁略中心に配置された
点火プラグであり、７は気筒上部周囲から気筒内へ直接
的に燃料を噴射するための燃料噴射弁である。燃料噴射
弁７は、燃料のベーパを防止するために、気筒内におい
て吸気流により比較的低温度となる吸気ポート１側に配
置されている。

【００１０】また、燃料噴射弁７は、スリット状の噴孔
を有し、燃料を厚さの薄い扇状に噴射するものである。
必要燃料量が多い機関高負荷時には、吸気行程で燃料を
噴射して均質燃焼が実施されるが、それ以外の時には、
成層燃焼を実施するために、図２に示すように、圧縮行
程後半において燃料１００をピストン５の頂面に形成さ
れたキャビティ８内へ噴射する。キャビティ８は、燃料
噴射弁７から噴射された燃料が衝突する底壁８ａと、燃
料噴射弁側側壁８ｂと、燃料噴射弁側側壁８ｂに対向す
る対向側壁８ｃとを有している。燃料噴射弁７から扇状
に噴射された燃料は、液状であるが、キャビティ８の底
壁８ａに沿って進行して、キャビティ８の対向側壁８ｃ
によって点火プラグ６近傍へ導かれるまでに気化し、着
火性の良好な可燃混合気となる。こうして、点火プラグ
６近傍だけに可燃混合気を形成して、気筒内全体として
はリーンな混合気を燃焼可能とする燃費効率の高い成層
燃焼を実現することが意図されている。

【００１１】厚さの薄い扇状の燃料噴霧は、キャビティ
８の底壁８ａに沿って進行する際に幅方向に拡がるため
に、キャビティ８内の高温度の空気と底壁８ａとの広範
囲部分から良好に熱を吸収して容易に気化することがで
きる。キャビティ８の対向側壁８ｃは、平面視において
円弧形状を有しているために、幅方向における燃料の中
央部分は、底壁８ａ上を進行する速度ベクトルが対向側
壁８ｃによって上方向の速度ベクトルへ変換され、点火
プラグ６近傍に向かうことを可能とする。また、幅方向
における燃料の両側部分は、対向側壁８ｃに対してそれ
ぞれ鋭角度に衝突することとなり、底壁８ａ上を進行す
る速度ベクトルが対向側壁８ｃによって上方向の速度ベ
クトルと中央方向の速度ベクトルとの合成速度ベクトル
に変換され、点火プラグ６近傍に向かうことを可能とす
る。こうして、点火プラグ６近傍に可燃混合気を形成す
ることが可能となる。

【００１２】その後、圧縮行程末期となると、ピストン
頂面は気筒上部壁へ近接し、両者の隙間によってスキッ
シュ流が発生する。図２に示すように、発生したスキッ
シュ流は、キャビティ８の周囲から流入してキャビティ
８の中央部へ向かう。本実施形態では、圧縮行程末期に
おけるピストン頂面と気筒上部壁との間の隙間は、キャ
ビティ８の対向側壁８ｃ近傍（ｈ２）に比較して燃料噴
射弁側側壁８ｂ近傍（ｈ１）において大きくされてい
る。それにより、キャビティ８の燃料噴射弁側側壁８ｂ
からキャビティ８内へ流入する第一スキッシュＳ１は弱
く、キャビティ８の対向側壁８ｃからキャビティ８内へ
流入する第二スキッシュＳ２は強くなる。本実施形態に
おいては、キャビティ８がピストン頂面に偏在していて
キャビティ８の対向側壁８ｃ近傍に比較的広い面積部分
が存在しているために、第二スキッシュ流Ｓ２はさらに
強いものとなる。

【００１３】第二スキッシュ流Ｓ２は、点火プラグ６近
傍に形成された可燃混合気へ空気を供給して可燃混合気
と空気とを十分に混合させ、さらに可燃混合気を着火燃
焼させ易くする。また、可燃混合気１００’は、当初、
対向側壁８ｃに沿って点火プラグ６近傍に形成されてい
るが、図１に示すように、第二スキッシュ流Ｓ２によっ
て、対向側壁８ｃから離間させられる。この直後に点火
時期となって可燃混合気１００’は着火燃焼させられる
が、火炎がキャビティ８の壁面と接触しないために、燃
焼における熱損失は小さくなり、熱効率の高い成層燃焼
を実現することができる。第一スキッシュ流Ｓ１及び第
２スキッシュ流は、キャビティ８内に乱れを発生させ、
キャビティ８内での可燃混合気の燃焼速度を速めること
にも寄与する。

【００１４】一方、キャビティ８の底壁８ａを進行する
際に気化した燃料の一部は、燃料の幅方向に分散してキ
ャビティ８の燃料噴射弁側側壁８ｂ近傍に希薄な混合気
を形成することがある。もし、このような希薄な混合気
が存在しても、第一スキッシュ流Ｓ１は弱いために、こ
の混合気をさらに希釈化させることはなく、この混合気
は第一スキッシュ流Ｓ１によってキャビティ８の中央部
へ移動させられて点火プラグ６近傍の可燃混合気と一体
化させられるために、未燃燃料として排出されることな
く良好に燃焼させることができる。

【００１５】こうして、点火プラグ６近傍の可燃混合気
が燃焼を開始すると、可燃混合気はキャビティ８内全体
へ急激に膨張して膨張行程初期となる。この時、キャビ
ティ８の周囲から空気が流出する逆スキッシュ流が発生
する。この逆スキッシュは、圧縮行程末期のスキッシュ
流と対応し、すなわち、キャビティ８の燃料噴射弁側側
壁８ｂからキャビティ８外へ流入する逆スキッシュは弱
く、キャビティ８の対向側壁８ｃからキャビティ８外へ
流入する逆スキッシュは強くなる。

【００１６】キャビティ８の対向側壁８ｃ近傍において
強い逆スキッシュ流が発生しても、この時には、対向側
壁８ｃ近傍の可燃混合気は燃焼しており、既燃ガスがキ
ャビティ８外へ流出するだけであるために、特に問題を
発生しない。しかしながら、前述したように、可燃混合
気は、燃焼開始と同時にキャビティ８内全体へ急激に膨
張して、未燃混合気が燃料噴射弁側側壁８ｂ近傍に位置
するために、キャビティ８の燃料噴射弁側側壁８ｂ近傍
において強い逆スキッシュ流が発生すると、この未燃混
合気は火炎伝播する以前にキャビティ８外へ流出し、燃
焼せずに未燃燃料として排出されることとなる。本実施
形態では、キャビティ８の燃料噴射弁側側壁８ｂ近傍に
おいて発生する逆スキッシュ流は弱いものとされるため
に、この問題が発生することは防止され、未燃燃料をも
たらさない良好な成層燃焼が実現可能である。

【００１７】本実施形態にように、厚さの薄い扇状の燃
料噴霧を使用することで、圧縮行程後半において比較的
多量の燃料を噴射しても、噴射された燃料を点火までに
ほぼ完全に気化させることができ、一般的な円錐状に燃
料を噴射する場合に比較して、吸気行程で燃料を噴射す
る均質燃焼運転領域を縮小すると共に、燃費効率の高い
成層燃焼運転領域を高負荷側に拡大することができる。

【００１８】しかしながら、これは、本発明を限定する
ものではなく、キャビティ内に噴射される燃料は、円錐
状であっても柱状であっても良い。また、ピストン頂面
のキャビティは、燃料が衝突する底壁と、燃料噴射弁側
側壁と、底壁上を進行する燃料を点火プラグ近傍に導く
対向側壁とを形状的に区別可能なものである。しかしな
がら、これは、本発明を限定するものではない。例え
ば、キャビティが略半球形状である場合のように、底壁
と対向側壁とが及び底壁と燃料噴射弁側側壁とが形状的
には区別できなくても、本発明は、燃料が衝突する部分
をキャビティを底壁として、また、この底壁上を進行す
る燃料を点火プラグ近傍に導く部分をキャビティの対向
側壁として、また、対向側壁に対向する部分を燃料噴射
弁側側壁として意図していることは明らかである。

【００１９】

【発明の効果】このように、本発明による筒内噴射式火
花点火内燃機関によれば、気筒上部壁に配置された点火
プラグと、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁
と、ピストン頂面に形成されたキャビティとを具備し、
キャビティは、底壁と、燃料噴射弁側側壁と、燃料噴射
弁側側壁に対向する対向側壁とを有し、燃料噴射弁から
圧縮行程後半にキャビティ内に噴射された燃料を、キャ
ビティの底壁上を進行させた後に対向側壁によって偏向
して点火プラグ近傍に導く筒内噴射式火花点火内燃機関
において、圧縮行程末期におけるピストン頂面と気筒上
部壁との間の隙間は、キャビティの対向側壁近傍に比較
して燃料噴射弁側側壁近傍において大きくされている。
それにより、圧縮行程後半において発生するスキッシュ
流は、キャビティの対向側壁近傍に比較して、キャビテ
ィの燃料噴射弁側側壁近傍において弱くなり、キャビテ
ィ内の燃料噴射弁側側壁近傍に位置する混合気の過剰な
希釈を防止する。さらに膨張行程初期において、キャビ
ティ内の燃料噴射弁側側壁近傍で発生する逆スキッシュ
流は、対向側壁近傍で発生する逆スキッシュ流に比較し
て弱いものとなり、点火プラグ近傍の可燃混合気が燃焼
開始と同時にキャビティ内全体に急激に膨張して、膨張
行程初期には燃料噴射弁側側壁近傍に未燃混合気が存在
するが、この未燃混合気が逆スキッシュ流によってキャ
ビティ外へ流出して燃焼せずに未燃燃料として排出され
ることは防止され、良好な成層燃焼を実現することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実
施形態を示す概略縦断面図である。

【図２】図１のピストンの平面図である。

【符号の説明】

１…吸気ポート ２…排気ポート ５…ピストン ６…点火プラグ ７…燃料噴射弁 ８…キャビティ ８ａ…底壁 ８ｂ…燃料噴射弁側側壁 ８ｃ…対向側壁

フロントページの続き (72)発明者 藤川 武敏 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 梅花 豊一 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 3G023 AA02 AB03 AC05 AD02 AD03 AD07 AD08 AD09 AG01 AG02

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気筒上部壁に配置された点火プラグと、
   気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁と、ピスト
   ン頂面に形成されたキャビティとを具備し、前記キャビ
   ティは、底壁と、燃料噴射弁側側壁と、前記燃料噴射弁
   側側壁に対向する対向側壁とを有し、前記燃料噴射弁か
   ら圧縮行程後半に前記キャビティ内に噴射された燃料
   を、前記キャビティの前記底壁上を進行させた後に前記
   対向側壁によって偏向して前記点火プラグ近傍に導く筒
   内噴射式火花点火内燃機関において、圧縮行程末期にお
   ける前記ピストン頂面と前記気筒上部壁との間の隙間
   は、前記キャビティの前記対向側壁近傍に比較して前記
   燃料噴射弁側側壁近傍において大きくされていることを
   特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
2. 【請求項２】 前記燃料噴射弁は、比較的厚さの薄い略
   扇形状に燃料を噴射することを特徴とする請求項１に記
   載の筒内噴射式火花点火内燃機関。