JP3781536B2 - 筒内噴射式エンジンの燃焼室構造 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料を燃焼室内に直接噴射し、燃焼室内に成層混合気を形成して成層燃焼を行う筒内噴射式エンジンの燃焼室構造に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来より、エンジンの燃費を向上させる手法として、理論熱効率の向上、ポンピングロスの低減、フリクションの低減などが提唱されている。そのうち理論熱効率の向上やポンピングロスの低減を図るために、燃焼室内の圧縮比または膨張比を上昇させる方法の他に、希薄燃焼制御や高ＥＧＲ（exhaust gas recirculation ）燃焼制御等を行う方法がある。これら希薄燃焼制御や高ＥＧＲ制御においては、シリンダ内にタンブル、スワール、スキッシュなどのガス流動を発生させて、燃焼室における混合気の燃焼性の向上を図っている。
【０００３】
そして、このようなエンジンは、吸気行程において燃焼室内に均一な混合気を形成することを基本としていたが、一方では燃料の噴射方向や噴射時期を調整することにより燃焼室内における混合気の空燃比を局所的に変えることも意図的に行われていた。
【０００４】
すなわち、燃焼室内において局所的に空燃比をリッチとし、あるいは局所的な部分にだけ混合気を形成する等により、燃焼室内全体ではトータルとしてリーンな空燃比で燃焼させる成層燃焼方式などが提案されていた。
【０００５】
しかしながら、従来の成層燃焼方式では、このような燃焼室内における局所的な混合気の形成は十分なものではなく、混合気形成の自由度の大幅な向上が望まれていた。そこで、その対策としてシリンダ内に燃料を直接噴射する種々の筒内噴射式エンジンが提案されている。
【０００６】
例えば、特開平５−１５４４号公報には、吸気バルブ周りの一部に吸気ポートを通過する吸入空気の流れを方向付けるマスク壁を設け、シリンダ内において強制的に逆タンブル流を発生させ、圧縮行程時に吸気ポートの下側に設けられた噴射手段（インジェクタ）からシリンダ軸方向に対して斜めに噴射される燃料を逆タンブル流に乗せ、混合気を燃焼室頭頂部に設けられた点火プラグの方向に導くようにした構成例が示されている。
【０００７】
また、特開平６−１４６８８６号公報には、噴射手段を、上記特開平５−１５４４号公報の技術と同様に吸気ポートの下側位置に取り付け、吸気ポートの断面形状をその一方側半分が拡幅された構成としている。そして、吸気流中心を偏心させて逆タンブル流の生成を促進し、燃料をシリンダ軸方向に対して斜めに噴射して逆タンブル流に乗せ、混合気を燃焼室頭頂部に設けられた点火プラグの方向に導くようにした構成例が示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平５一１５４４号公報に開示された筒内噴射式内燃機関では、マスク壁により強制的に逆タンブル流を発生させる吸気ポートを採用しているので、高速高負荷領域において吸入抵抗が過大となるおそれがある。これにより、吸入空気量の不十分状態が生じ、出力性能に影響が出るおそれがある。
【０００９】
次に、特開平６−１４６８８６号公報に開示された技術では、上述のように吸気ポートの断面形状の調整による逆タンブル流の生成を行い、ピストン上面の湾曲部によりこの逆タンブル流の生成を促進するようにしている。しかし、湾曲部内のみが燃焼室空間を形成する構成をとっているので圧縮比が過剰に高くなるおそれがある。これにより、通常のエンジンで用いられる燃料、いわゆるレギュラーガソリンに適合する圧縮比を設定するのが困難である。
【００１０】
そして、通常の圧縮比となるように湾曲部や、キャビティを大きくして充分な燃焼室容積を確保しようとすると、燃料噴射弁の噴射口と点火プラグの電極との間に距離が増大して混合気を点火プラグ側に導くことが難しく、成層混合気を精密に生成することが困難で、燃焼の安定性や着火性が低いという不具合を有している。
【００１１】
本発明は、上記不具合を解決するためになされたものであり、その目的はピストン上面での燃料の反射により生成する成層混合気を精密に生成することができる簡単な構成の筒内噴射式エンジンの燃焼室構造を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の筒内噴射式エンジンの燃焼室構造は、吸気側と排気側とからなる一対の斜面部を有したペントルーフ型の燃焼室天井部を有するシリンダヘッドと、そのシリンダヘッドに設けられ、燃焼室天井部のほぼ中央位置からシリンダ軸方向ピストン上面に向かって所定タイミングで燃料を噴射するインジェクタと、シリンダヘッドの燃焼室天井部の形状に対応した凸形状を基本形状とするピストンヘッドを有し、圧縮行程時に燃焼室天井部との共働によりピストンヘッドの周縁側からピストンヘッドの中央に向かうスキッシュ流を生成するピストンと、シリンダヘッドに設けられ、燃焼室天井部の吸気側の斜面部から燃焼室内へシリンダ軸方向に対して斜め方向に突出する点火プラグと、ピストンヘッドのほぼ中央位置に凹設され、点火プラグ側に傾斜した底部を有するキャビティとを備え、点火プラグは、ピストンが上死点近傍に位置する場合にキャビティの内部上方位置でかつキャビティの中心から吸気側にオフセットした位置に電極部が配置されたことを特徴とする。
【００１３】
そして、キャビティは、点火プラグ側に傾斜した底部を有している。また、燃焼室天井部とピストンは、圧縮行程時にピストン上面の周縁側から中央に向かう混合気の流れであるスキッシュ流が生成される構成を有している。
【００１４】
上記構成を有する筒内噴射式エンジンは、シリンダヘッド側に上昇してきたピストンが上死点の手前所定位置に到達した際に、インジェクタから燃料が噴射され、噴射された燃料（以下、単に「噴射燃料」という）は、キャビティに向かって広がっていき、キャビティ内で受け止められ、反射、這い回り、跳ね上がりにより拡散し混合気を形成する。
【００１５】
ここで、キャビティの底部に衝突した噴射燃料は電極部側に反射される。そして、反射の勢いによってキャビティからはみ出そうな燃料はスキッシュ流により、キャビティ内に押し戻され、キャビティ外への拡散が抑制される。これにより、点火プラグの電極部近傍位置に混合気の固まりを形成させることができる。
【００１６】
したがって、噴射燃料の拡散する方向を精密に制御することができ、混合気を吸気側に偏位した点火プラグの電極部付近に適切なタイミングで生成することができる。すなわち、燃焼室内における混合気の生成位置を正確かつ容易に制御することができる。
【００１７】
この結果、広い燃焼室空間においても混合気の生成位置を正確に制御でき、広い運転領域で良好な着火性及び燃焼安定性を確保することができると共に、圧縮比を通常のエンジンで用いられる燃料、いわゆるレギュラーガソリンに見合う値に設定することができる。
【００１８】
請求項２に記載の筒内噴射エンジンの燃焼室構造は、キャビティが、点火プラグ側に傾斜した底部と、底部から滑らかな曲面を介して所定角度で立ち上がり、インジェクタの噴射中心軸を間に介して点火プラグの電極部と対向する壁部とを有することを特徴とする。
【００１９】
請求項３にかかる筒内噴射エンジンの燃焼室構造は、キャビティが、底部が半球面形状を基本的形状とするように凹窩形成され、インジェクタの噴射中心軸を間に介して点火プラグと対向する底部の排気側部分が、インジェクタの噴射中心軸よりも点火プラグ側にオフセットした位置でかつピストン上面の上方位置を中心とする凹曲面形状を有することを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態における筒内噴射式エンジン１０を概略的に説明する断面説明図であり、図２は、図１のピストン１８の上面図である。
【００２３】
筒内噴射式エンジン１０は、図１に示したように、ペントルーフ状に形成された燃焼室天井部（以下、単に「天井部」という）１２を有するシリンダヘッド１４と、ピストンヘッド１６が天井部１２に対応して凸形状に形成されたピストン１８と、ピストン１８が往復動可能に嵌挿されるシリンダ２０を有するシリンダ部２２とを基本的な構成要素としている。
【００２４】
天井部１２は、図１に示したように、頂部から漸次互いに離間し拡開する２つの斜面部１２ａ、１２ｂを有しており、全体的には切妻屋根に似た形状をなしている。斜面部１２ａには、シリンダヘッド１４に設けられた吸気ポート（図示せず）と燃焼室２４との間を連通・遮断する吸気バルブ（図示せず）が２個設けられている。また、斜面部１２ｂには、排気ポート（図示せず）と燃焼室２４との間を連通・遮断する排気バルブ（図示せず）が２個設けられている。以下、説明の便宜上、吸気バルブ側を吸気ＩＮ側、排気バルブ側を排気ＥＸ側という。また、天井部１２は、シリンダ２０の中心よりも排気側にオフセットした位置に設けられている。
【００２５】
点火プラグ３０は、図１に示したように、シリンダヘッド１４の吸気ＩＮ側に設けられシリンダ２０の軸方向に対して傾斜し、端部が燃焼室２４内に突出するよう設けられている。また、点火プラグ３０は、燃焼室２４側に突出した端部に着火部である電極部３２を有している。
【００２６】
更に、天井部１２のほぼ中心上方位置には、インジェクタ３４が設けられている。インジェクタ３４は、燃料をシリンダ２０の軸方向ピストンヘッド１６に向けて噴射し、その噴射中心軸３５は、シリンダ２０の中心軸線２１よりも排気ＥＸ側にオフセットした位置に設定されている。そして、インジェクタ３４による燃料の噴射形状は噴射中心軸３５を中心として次第に広がる略円すい中空形状を形成する（図１中、点線ｆにより示す）。
【００２７】
噴射燃料の略円すい中空形状は、例えば噴射の広がり角を４０度〜８０度程度とする噴射角に設定し、燃料に対して回転成分を与えつつ噴射することにより容易に形成することが可能である。具体的には、スワールノズルを用いたインジェクタ３４によるホローコーン噴霧により形成することができる。
【００２８】
そして、吸気バルブを介して燃焼室２４と連通・遮断される吸気ポート（図示せず）の形状により、燃焼室２４内には正方向の弱タンブルガス流動が生じるように構成されている。タンブル比はおよそ０．５〜２程度となるよう設定されている。尚、正方向のタンブル流とは、ピストンヘッド１６上を吸気ＩＮ側から排気ＥＸ側に転がる方向のガス流動をいう。
【００２９】
ピストン１８は、図１に示したように、シリンダ中心軸線２１と直交する平面形状に形成されたピストンヘッド１６の周縁部１７と、この周縁部１７からペントルーフ型の天井部１２に対応して突出する凸部１９を有している。
【００３０】
そして、ピストン１８は、シリンダヘッド１４との共働により圧縮行程においてピストン１８が上死点直前まで上昇した際に、周縁部１７側からピストンヘッド１６の中央に向かう混合気の流れ、いわゆるスキッシュ流（コンプレッション・タービュレンス）を生じさせる構造を有している。
【００３１】
また、ピストンヘッド１６には、その中心が噴射中心軸線３５よりも吸気ＩＮ側に所定量オフセットされた略円形状の開口部３９を有して凹窩するキャビティ３６が設けられている。キャビティ３６は、インジェクタ３４より噴射された燃料が衝突した際に電極部３２側へ反射する角度に傾斜した底部３７を備えている。
【００３２】
そして、底部３７の排気側は、底部３７から間に滑らかな曲面を介して所定角度で立ち上がり電極部３２と対向する壁部３８と接続されている。したがって、インジェクタから噴射された燃料が壁部３８に衝突した場合にも電極部３２側に反射される。
【００３３】
点火プラグ３０の電極部３２は、ピストン１８が上死点近傍に位置する場合にキャビティ３６上方でかつキャビティ３６の中心から吸気ＩＮ側へオフセットした位置となるようセッティングされており、本実施の形態では、インジェクタ３４からの噴射燃料が直接衝突しない位置に配置されている。
【００３４】
そして、インジェクタ３４の噴射広がり角の設定は、ピストン１８が上下動作時における所定タイミング（上死点直前位置）においてキャビティ３６内に噴射範囲が収まるように設定されている。
【００３５】
キャビティ３６の開口部３９の開口径ｄは、図２に示したように、シリンダ２０の径Ｄに対して３０〜７０％程度の大きさに設定され、キャビティ３６の深さは、最深部で周縁部１７からシリンダ径Ｄの１５％程度迄を限度として設定されている。
【００３６】
次に、上記構成を有する筒内噴射エンジン１０の動作及び作用について以下に説明する。尚、本実施の形態における筒内噴射エンジン１０は、低・中負荷運転時においてのみ成層燃焼運転を行い、高負荷運転時には均一燃焼運転を行うように、燃料噴射量、噴射タイミング、点火時期が制御される。
【００３７】
この高負荷運転時に行われる均一燃焼は、燃料を燃焼室２４内に吸気行程時に噴射するもので、吸気行程時に吸気ポート内に燃料を噴射する従来のエンジンとほぼ同様の動作であるため詳細な説明は省略し、ここでは本発明の特徴である低・中負荷運転時における成層燃焼運転について説明する。
【００３８】
まず最初に、圧縮行程において、エンジン動作状態に応じて設定された所定タイミング、換言すれば、ピストン１８が上死点近傍の所定位置まで上昇した時点でインジェクタ３４からピストンヘッド１６に向けて燃料がホローコーン形状に所定噴射量だけ噴射される。噴射された燃料は、更に上昇を続けるピストン１８のキャビティ３６にて受け止められ、キャビティ３６内で反射、這い回り、跳ね上がりなどにより拡散する。この跳ね上がった燃料の一部は天井部１２に衝突して拡散する。
【００３９】
そして、天井部１２がペントルーフ型に形成されていることから、キャビティ３６にて跳ね上がりその勢いで天井部１２と衝突した燃料は、燃焼室中央側に集合するように反射する。また、キャビティ３６の底部３７と衝突した噴射燃料は、その傾斜により点火プラグ３０側に反射され、電極部３２付近にて拡散する。
【００４０】
そして、ピストン１８の更なる上昇によって、天井部１２とピストンヘッド１６との間が十分狭くなり、ピストンヘッド１６の周縁部１７側からキャビティ３６方向へ流れるスキッシュ流が発生する。このスキッシュ流によりキャビティ３６内にて反射し、開口部３９から周縁部１７側へと飛び出ようとする燃料は、ピストン１８の中心方向へ強制的に押し戻され、キャビティ３６内及びその上部範囲にて拡散する。また、その際に、スキッシュ流と燃焼室２４内に存する弱タンブル流とがぶつかり合うことで、燃焼室２４内には燃焼促進に良好な混合気の乱れが発生する。
【００４１】
これにより、着火に適した成層混合気が電極部３２付近に適切なタイミングで形成される。ここで、例えば、中負荷運転時の燃料噴射量が比較的多い場合、キャビティ３６にて反射した噴射燃料はキャビティ３６内及びその上部範囲に拡散し、拡散体積が広く均質に拡散した成層混合気が形成される。
【００４２】
また、アイドリング時等の燃料噴射量が少ない場合には、キャビティ３６の底部３７の傾斜により一部が確実に電極部３２にかかる成層混合気が形成される。したがって、広い運転領域において、電極部３２の周辺に着火性が良くかつ成層燃焼に適した良好な混合気を形成することができ、また、広い燃焼室空間を形成するキャビティ、すなわち大きな容積を有するキャビティにおいても混合気の生成位置を正確に制御することができる。
【００４３】
これにより、圧縮比を通常の圧縮比に設定してレギュラーガソリンを使用したエンジン運転を行うことができる。また、良好な運転性、ＨＣの低減、ＮＯＸの低減、燃費の向上を達成することができる。
【００４４】
また、噴射燃料は、キャビティ内及びその上部範囲にて拡散することから、火炎伝播が不可能な混合気のちぎれやオーバーリーン領域の発生を防ぐことが可能であり、また、全体としてリーンな空燃比で適切かつ急速な燃焼が得られ、パーシャルバーンの発生を防止することができる。
【００４５】
そして、また、噴射燃料はシリンダ軸方向に噴射されるため、シリンダ２０側には拡散しにくく、噴射燃料のシリンダ２０への付着を防止でき、シリンダ２０とピストン１８側面間の潤滑性の悪化、及び噴射燃料の一部が直接シリンダ２０の内周壁面に衝突することにより生じる冷却作用が引き起こす燃焼状態の悪化を防止することができる。
【００４６】
次に、本発明の第２の実施の形態について以下に説明する。図３は、第２の実施の形態の断面説明図であり、図４は、第２の実施の形態に用いられるピストン１８の上面説明図である。図中において、第１の実施の形態と同様の構成要素には、同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。
【００４７】
本実施の形態において、上述の第１の実施の形態と異なる特徴的構成は、キャビティ３６の凹窩形状にある。キャビティ３６の凹窩形状は、図３に示したように、基本的には半球面状に形成されており、底部３７の排気側部分３７ａは、インジェクタ３４の噴射中心軸３５より点火プラグ３０側にオフセットした上方位置を中心とする凹曲面形状に形成されている。したがって、インジェクタ３４から噴射された噴射燃料のうち、底部３７の排気側部分３７ａと衝突したものは電極部３２方向へ反射し、電極部３２付近に局所的に適切な混合気を形成する。
【００４８】
ここで、底部３７を半球面形状としたことにより、第１の実施の形態よりもキャビティの容積が大きく確保されている。その結果、キャビティ内に噴射された燃料の拡散体積をさらに大きくすることができ、混合気の燃焼領域の拡大による燃費向上を図ることができる。また、半球面状を基本形状としたことにより燃焼室内に存するタンブル流を徒に乱すことがなく維持することができるという作用も有する。
【００４９】
なお、本発明は、上述の各実施の形態の構成に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上述の各実施の形態では、弱タンブル流によるガス流動が存する場合について説明したが、吸気ポート等の形状を変更して弱スワール流を発生させ、弱タンブル流と併用してもよい。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る筒内噴射エンジンの燃焼室構造によれば、キャビティ内の傾斜部とピストン上面に生じるスキッシュ流とにより、噴射燃料の拡散する方向を精密に制御することができ、混合気を点火プラグの電極部付近に適切なタイミングで生成することができる。したがって、広い運転領域で良好な着火性及び燃焼安定性を確保することができると共に、圧縮比を通常の値に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における筒内噴射式エンジンを概略的に説明する断面説明図である。
【図２】図１のピストンの上面説明図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態における筒内噴射式エンジンを概略的に説明する断面説明図である。
【図４】図３のピストンの上面説明図である。
【符号の説明】
１２ 燃焼室天井部
１４ シリンダヘッド
１６ ピストンヘッド
１８ ピストン
１９ 凸部
２０ シリンダ
２２ シリンダ部
２４ 燃焼室
３０ 点火プラグ
３２ 電極部
３４ インジェクタ
３６ キャビティ
ｆ 燃料
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料を燃焼室内に直接噴射し、燃焼室内に成層混合気を形成して成層燃焼を行う筒内噴射式エンジンの燃焼室構造に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来より、エンジンの燃費を向上させる手法として、理論熱効率の向上、ポンピングロスの低減、フリクションの低減などが提唱されている。そのうち理論熱効率の向上やポンピングロスの低減を図るために、燃焼室内の圧縮比または膨張比を上昇させる方法の他に、希薄燃焼制御や高ＥＧＲ（exhaust gas recirculation ）燃焼制御等を行う方法がある。これら希薄燃焼制御や高ＥＧＲ制御においては、シリンダ内にタンブル、スワール、スキッシュなどのガス流動を発生させて、燃焼室における混合気の燃焼性の向上を図っている。
【０００３】
そして、このようなエンジンは、吸気行程において燃焼室内に均一な混合気を形成することを基本としていたが、一方では燃料の噴射方向や噴射時期を調整することにより燃焼室内における混合気の空燃比を局所的に変えることも意図的に行われていた。
【０００４】
すなわち、燃焼室内において局所的に空燃比をリッチとし、あるいは局所的な部分にだけ混合気を形成する等により、燃焼室内全体ではトータルとしてリーンな空燃比で燃焼させる成層燃焼方式などが提案されていた。
【０００５】
しかしながら、従来の成層燃焼方式では、このような燃焼室内における局所的な混合気の形成は十分なものではなく、混合気形成の自由度の大幅な向上が望まれていた。そこで、その対策としてシリンダ内に燃料を直接噴射する種々の筒内噴射式エンジンが提案されている。
【０００６】
例えば、特開平５−１５４４号公報には、吸気バルブ周りの一部に吸気ポートを通過する吸入空気の流れを方向付けるマスク壁を設け、シリンダ内において強制的に逆タンブル流を発生させ、圧縮行程時に吸気ポートの下側に設けられた噴射手段（インジェクタ）からシリンダ軸方向に対して斜めに噴射される燃料を逆タンブル流に乗せ、混合気を燃焼室頭頂部に設けられた点火プラグの方向に導くようにした構成例が示されている。
【０００７】
また、特開平６−１４６８８６号公報には、噴射手段を、上記特開平５−１５４４号公報の技術と同様に吸気ポートの下側位置に取り付け、吸気ポートの断面形状をその一方側半分が拡幅された構成としている。そして、吸気流中心を偏心させて逆タンブル流の生成を促進し、燃料をシリンダ軸方向に対して斜めに噴射して逆タンブル流に乗せ、混合気を燃焼室頭頂部に設けられた点火プラグの方向に導くようにした構成例が示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平５一１５４４号公報に開示された筒内噴射式内燃機関では、マスク壁により強制的に逆タンブル流を発生させる吸気ポートを採用しているので、高速高負荷領域において吸入抵抗が過大となるおそれがある。これにより、吸入空気量の不十分状態が生じ、出力性能に影響が出るおそれがある。
【０００９】
次に、特開平６−１４６８８６号公報に開示された技術では、上述のように吸気ポートの断面形状の調整による逆タンブル流の生成を行い、ピストン上面の湾曲部によりこの逆タンブル流の生成を促進するようにしている。しかし、湾曲部内のみが燃焼室空間を形成する構成をとっているので圧縮比が過剰に高くなるおそれがある。これにより、通常のエンジンで用いられる燃料、いわゆるレギュラーガソリンに適合する圧縮比を設定するのが困難である。
【００１０】
そして、通常の圧縮比となるように湾曲部や、キャビティを大きくして充分な燃焼室容積を確保しようとすると、燃料噴射弁の噴射口と点火プラグの電極との間に距離が増大して混合気を点火プラグ側に導くことが難しく、成層混合気を精密に生成することが困難で、燃焼の安定性や着火性が低いという不具合を有している。
【００１１】
本発明は、上記不具合を解決するためになされたものであり、その目的はピストン上面での燃料の反射により生成する成層混合気を精密に生成することができる簡単な構成の筒内噴射式エンジンの燃焼室構造を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の筒内噴射式エンジンの燃焼室構造は、吸気側と排気側とからなる一対の斜面部を有したペントルーフ型の燃焼室天井部を有するシリンダヘッドと、そのシリンダヘッドに設けられ、燃焼室天井部のほぼ中央位置からシリンダ軸方向ピストン上面に向かって所定タイミングで燃料を噴射するインジェクタと、シリンダヘッドの燃焼室天井部の形状に対応した凸形状を基本形状とするピストンヘッドを有し、圧縮行程時に燃焼室天井部との共働によりピストンヘッドの周縁側からピストンヘッドの中央に向かうスキッシュ流を生成するピストンと、シリンダヘッドに設けられ、燃焼室天井部の吸気側の斜面部から燃焼室内へシリンダ軸方向に対して斜め方向に突出する点火プラグと、ピストンヘッドのほぼ中央位置に凹設され、点火プラグ側に傾斜した底部を有するキャビティとを備え、点火プラグは、ピストンが上死点近傍に位置する場合にキャビティの内部上方位置でかつキャビティの中心から吸気側にオフセットした位置に電極部が配置されたことを特徴とする。
【００１３】
そして、キャビティは、点火プラグ側に傾斜した底部を有している。また、燃焼室天井部とピストンは、圧縮行程時にピストン上面の周縁側から中央に向かう混合気の流れであるスキッシュ流が生成される構成を有している。
【００１４】
上記構成を有する筒内噴射式エンジンは、シリンダヘッド側に上昇してきたピストンが上死点の手前所定位置に到達した際に、インジェクタから燃料が噴射され、噴射された燃料（以下、単に「噴射燃料」という）は、キャビティに向かって広がっていき、キャビティ内で受け止められ、反射、這い回り、跳ね上がりにより拡散し混合気を形成する。
【００１５】
ここで、キャビティの底部に衝突した噴射燃料は電極部側に反射される。そして、反射の勢いによってキャビティからはみ出そうな燃料はスキッシュ流により、キャビティ内に押し戻され、キャビティ外への拡散が抑制される。これにより、点火プラグの電極部近傍位置に混合気の固まりを形成させることができる。
【００１６】
したがって、噴射燃料の拡散する方向を精密に制御することができ、混合気を吸気側に偏位した点火プラグの電極部付近に適切なタイミングで生成することができる。すなわち、燃焼室内における混合気の生成位置を正確かつ容易に制御することができる。
【００１７】
この結果、広い燃焼室空間においても混合気の生成位置を正確に制御でき、広い運転領域で良好な着火性及び燃焼安定性を確保することができると共に、圧縮比を通常のエンジンで用いられる燃料、いわゆるレギュラーガソリンに見合う値に設定することができる。
【００１８】
請求項２に記載の筒内噴射エンジンの燃焼室構造は、キャビティが、点火プラグ側に傾斜した底部と、底部から滑らかな曲面を介して所定角度で立ち上がり、インジェクタの噴射中心軸を間に介して点火プラグの電極部と対向する壁部とを有することを特徴とする。
【００１９】
請求項３にかかる筒内噴射エンジンの燃焼室構造は、キャビティが、底部が半球面形状を基本的形状とするように凹窩形成され、インジェクタの噴射中心軸を間に介して点火プラグと対向する底部の排気側部分が、インジェクタの噴射中心軸よりも点火プラグ側にオフセットした位置でかつピストン上面の上方位置を中心とする凹曲面形状を有することを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態における筒内噴射式エンジン１０を概略的に説明する断面説明図であり、図２は、図１のピストン１８の上面図である。
【００２３】
筒内噴射式エンジン１０は、図１に示したように、ペントルーフ状に形成された燃焼室天井部（以下、単に「天井部」という）１２を有するシリンダヘッド１４と、ピストンヘッド１６が天井部１２に対応して凸形状に形成されたピストン１８と、ピストン１８が往復動可能に嵌挿されるシリンダ２０を有するシリンダ部２２とを基本的な構成要素としている。
【００２４】
天井部１２は、図１に示したように、頂部から漸次互いに離間し拡開する２つの斜面部１２ａ、１２ｂを有しており、全体的には切妻屋根に似た形状をなしている。斜面部１２ａには、シリンダヘッド１４に設けられた吸気ポート（図示せず）と燃焼室２４との間を連通・遮断する吸気バルブ（図示せず）が２個設けられている。また、斜面部１２ｂには、排気ポート（図示せず）と燃焼室２４との間を連通・遮断する排気バルブ（図示せず）が２個設けられている。以下、説明の便宜上、吸気バルブ側を吸気ＩＮ側、排気バルブ側を排気ＥＸ側という。また、天井部１２は、シリンダ２０の中心よりも排気側にオフセットした位置に設けられている。
【００２５】
点火プラグ３０は、図１に示したように、シリンダヘッド１４の吸気ＩＮ側に設けられシリンダ２０の軸方向に対して傾斜し、端部が燃焼室２４内に突出するよう設けられている。また、点火プラグ３０は、燃焼室２４側に突出した端部に着火部である電極部３２を有している。
【００２６】
更に、天井部１２のほぼ中心上方位置には、インジェクタ３４が設けられている。インジェクタ３４は、燃料をシリンダ２０の軸方向ピストンヘッド１６に向けて噴射し、その噴射中心軸３５は、シリンダ２０の中心軸線２１よりも排気ＥＸ側にオフセットした位置に設定されている。そして、インジェクタ３４による燃料の噴射形状は噴射中心軸３５を中心として次第に広がる略円すい中空形状を形成する（図１中、点線ｆにより示す）。
【００２７】
噴射燃料の略円すい中空形状は、例えば噴射の広がり角を４０度〜８０度程度とする噴射角に設定し、燃料に対して回転成分を与えつつ噴射することにより容易に形成することが可能である。具体的には、スワールノズルを用いたインジェクタ３４によるホローコーン噴霧により形成することができる。
【００２８】
そして、吸気バルブを介して燃焼室２４と連通・遮断される吸気ポート（図示せず）の形状により、燃焼室２４内には正方向の弱タンブルガス流動が生じるように構成されている。タンブル比はおよそ０．５〜２程度となるよう設定されている。尚、正方向のタンブル流とは、ピストンヘッド１６上を吸気ＩＮ側から排気ＥＸ側に転がる方向のガス流動をいう。
【００２９】
ピストン１８は、図１に示したように、シリンダ中心軸線２１と直交する平面形状に形成されたピストンヘッド１６の周縁部１７と、この周縁部１７からペントルーフ型の天井部１２に対応して突出する凸部１９を有している。
【００３０】
そして、ピストン１８は、シリンダヘッド１４との共働により圧縮行程においてピストン１８が上死点直前まで上昇した際に、周縁部１７側からピストンヘッド１６の中央に向かう混合気の流れ、いわゆるスキッシュ流（コンプレッション・タービュレンス）を生じさせる構造を有している。
【００３１】
また、ピストンヘッド１６には、その中心が噴射中心軸線３５よりも吸気ＩＮ側に所定量オフセットされた略円形状の開口部３９を有して凹窩するキャビティ３６が設けられている。キャビティ３６は、インジェクタ３４より噴射された燃料が衝突した際に電極部３２側へ反射する角度に傾斜した底部３７を備えている。
【００３２】
そして、底部３７の排気側は、底部３７から間に滑らかな曲面を介して所定角度で立ち上がり電極部３２と対向する壁部３８と接続されている。したがって、インジェクタから噴射された燃料が壁部３８に衝突した場合にも電極部３２側に反射される。
【００３３】
点火プラグ３０の電極部３２は、ピストン１８が上死点近傍に位置する場合にキャビティ３６上方でかつキャビティ３６の中心から吸気ＩＮ側へオフセットした位置となるようセッティングされており、本実施の形態では、インジェクタ３４からの噴射燃料が直接衝突しない位置に配置されている。
【００３４】
そして、インジェクタ３４の噴射広がり角の設定は、ピストン１８が上下動作時における所定タイミング（上死点直前位置）においてキャビティ３６内に噴射範囲が収まるように設定されている。
【００３５】
キャビティ３６の開口部３９の開口径ｄは、図２に示したように、シリンダ２０の径Ｄに対して３０〜７０％程度の大きさに設定され、キャビティ３６の深さは、最深部で周縁部１７からシリンダ径Ｄの１５％程度迄を限度として設定されている。
【００３６】
次に、上記構成を有する筒内噴射エンジン１０の動作及び作用について以下に説明する。尚、本実施の形態における筒内噴射エンジン１０は、低・中負荷運転時においてのみ成層燃焼運転を行い、高負荷運転時には均一燃焼運転を行うように、燃料噴射量、噴射タイミング、点火時期が制御される。
【００３７】
この高負荷運転時に行われる均一燃焼は、燃料を燃焼室２４内に吸気行程時に噴射するもので、吸気行程時に吸気ポート内に燃料を噴射する従来のエンジンとほぼ同様の動作であるため詳細な説明は省略し、ここでは本発明の特徴である低・中負荷運転時における成層燃焼運転について説明する。
【００３８】
まず最初に、圧縮行程において、エンジン動作状態に応じて設定された所定タイミング、換言すれば、ピストン１８が上死点近傍の所定位置まで上昇した時点でインジェクタ３４からピストンヘッド１６に向けて燃料がホローコーン形状に所定噴射量だけ噴射される。噴射された燃料は、更に上昇を続けるピストン１８のキャビティ３６にて受け止められ、キャビティ３６内で反射、這い回り、跳ね上がりなどにより拡散する。この跳ね上がった燃料の一部は天井部１２に衝突して拡散する。
【００３９】
そして、天井部１２がペントルーフ型に形成されていることから、キャビティ３６にて跳ね上がりその勢いで天井部１２と衝突した燃料は、燃焼室中央側に集合するように反射する。また、キャビティ３６の底部３７と衝突した噴射燃料は、その傾斜により点火プラグ３０側に反射され、電極部３２付近にて拡散する。
【００４０】
そして、ピストン１８の更なる上昇によって、天井部１２とピストンヘッド１６との間が十分狭くなり、ピストンヘッド１６の周縁部１７側からキャビティ３６方向へ流れるスキッシュ流が発生する。このスキッシュ流によりキャビティ３６内にて反射し、開口部３９から周縁部１７側へと飛び出ようとする燃料は、ピストン１８の中心方向へ強制的に押し戻され、キャビティ３６内及びその上部範囲にて拡散する。また、その際に、スキッシュ流と燃焼室２４内に存する弱タンブル流とがぶつかり合うことで、燃焼室２４内には燃焼促進に良好な混合気の乱れが発生する。
【００４１】
これにより、着火に適した成層混合気が電極部３２付近に適切なタイミングで形成される。ここで、例えば、中負荷運転時の燃料噴射量が比較的多い場合、キャビティ３６にて反射した噴射燃料はキャビティ３６内及びその上部範囲に拡散し、拡散体積が広く均質に拡散した成層混合気が形成される。
【００４２】
また、アイドリング時等の燃料噴射量が少ない場合には、キャビティ３６の底部３７の傾斜により一部が確実に電極部３２にかかる成層混合気が形成される。したがって、広い運転領域において、電極部３２の周辺に着火性が良くかつ成層燃焼に適した良好な混合気を形成することができ、また、広い燃焼室空間を形成するキャビティ、すなわち大きな容積を有するキャビティにおいても混合気の生成位置を正確に制御することができる。
【００４３】
これにより、圧縮比を通常の圧縮比に設定してレギュラーガソリンを使用したエンジン運転を行うことができる。また、良好な運転性、ＨＣの低減、ＮＯＸの低減、燃費の向上を達成することができる。
【００４４】
また、噴射燃料は、キャビティ内及びその上部範囲にて拡散することから、火炎伝播が不可能な混合気のちぎれやオーバーリーン領域の発生を防ぐことが可能であり、また、全体としてリーンな空燃比で適切かつ急速な燃焼が得られ、パーシャルバーンの発生を防止することができる。
【００４５】
そして、また、噴射燃料はシリンダ軸方向に噴射されるため、シリンダ２０側には拡散しにくく、噴射燃料のシリンダ２０への付着を防止でき、シリンダ２０とピストン１８側面間の潤滑性の悪化、及び噴射燃料の一部が直接シリンダ２０の内周壁面に衝突することにより生じる冷却作用が引き起こす燃焼状態の悪化を防止することができる。
【００４６】
次に、本発明の第２の実施の形態について以下に説明する。図３は、第２の実施の形態の断面説明図であり、図４は、第２の実施の形態に用いられるピストン１８の上面説明図である。図中において、第１の実施の形態と同様の構成要素には、同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。
【００４７】
本実施の形態において、上述の第１の実施の形態と異なる特徴的構成は、キャビティ３６の凹窩形状にある。キャビティ３６の凹窩形状は、図３に示したように、基本的には半球面状に形成されており、底部３７の排気側部分３７ａは、インジェクタ３４の噴射中心軸３５より点火プラグ３０側にオフセットした上方位置を中心とする凹曲面形状に形成されている。したがって、インジェクタ３４から噴射された噴射燃料のうち、底部３７の排気側部分３７ａと衝突したものは電極部３２方向へ反射し、電極部３２付近に局所的に適切な混合気を形成する。
【００４８】
ここで、底部３７を半球面形状としたことにより、第１の実施の形態よりもキャビティの容積が大きく確保されている。その結果、キャビティ内に噴射された燃料の拡散体積をさらに大きくすることができ、混合気の燃焼領域の拡大による燃費向上を図ることができる。また、半球面状を基本形状としたことにより燃焼室内に存するタンブル流を徒に乱すことがなく維持することができるという作用も有する。
【００４９】
なお、本発明は、上述の各実施の形態の構成に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上述の各実施の形態では、弱タンブル流によるガス流動が存する場合について説明したが、吸気ポート等の形状を変更して弱スワール流を発生させ、弱タンブル流と併用してもよい。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る筒内噴射エンジンの燃焼室構造によれば、キャビティ内の傾斜部とピストン上面に生じるスキッシュ流とにより、噴射燃料の拡散する方向を精密に制御することができ、混合気を点火プラグの電極部付近に適切なタイミングで生成することができる。したがって、広い運転領域で良好な着火性及び燃焼安定性を確保することができると共に、圧縮比を通常の値に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における筒内噴射式エンジンを概略的に説明する断面説明図である。
【図２】図１のピストンの上面説明図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態における筒内噴射式エンジンを概略的に説明する断面説明図である。
【図４】図３のピストンの上面説明図である。
【符号の説明】
１２ 燃焼室天井部
１４ シリンダヘッド
１６ ピストンヘッド
１８ ピストン
１９ 凸部
２０ シリンダ
２２ シリンダ部
２４ 燃焼室
３０ 点火プラグ
３２ 電極部
３４ インジェクタ
３６ キャビティ
ｆ 燃料
Claims (3)
- 吸気側と排気側とからなる一対の斜面部を有したペントルーフ型の燃焼室天井部を有するシリンダヘッドと、
該シリンダヘッドに設けられ、前記燃焼室天井部のほぼ中央位置からシリンダ軸方向ピストン上面に向かって所定タイミングで燃料を噴射するインジェクタと、
前記シリンダヘッドの燃焼室天井部の形状に対応した凸形状を基本形状とするピストンヘッドを有し、圧縮行程時に前記燃焼室天井部との共働により前記ピストンヘッドの周縁側から前記ピストンヘッドの中央に向かうスキッシュ流を生成するピストンと、
前記シリンダヘッドに設けられ、前記燃焼室天井部の吸気側の斜面部から前記燃焼室内へ前記シリンダ軸方向に対して斜め方向に突出する点火プラグと、
前記ピストンヘッドのほぼ中央位置に凹設され、前記点火プラグ側に傾斜した底部を有するキャビティと、を備え、
前記点火プラグは、前記ピストンが上死点近傍に位置する場合に前記キャビティの内部上方位置でかつ前記キャビティの中心から吸気側にオフセットした位置に電極部が配置されたことを特徴とする筒内噴射式エンジンの燃焼室構造。 - 前記キャビティは、
前記点火プラグ側に傾斜した底部と、
前記底部から滑らかな曲面を介して所定角度で立ち上がり、前記インジェクタの噴射中心軸を間に介して前記点火プラグの電極部と対向する壁部と、を有することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式エンジンの燃焼室構造。 - 前記キャビティは、
前記底部が半球面形状を基本的形状とするように凹窩形成され、前記インジェクタの噴射中心軸を間に介して前記点火プラグと対向する前記底部の排気側部分が、前記インジェクタの噴射中心軸よりも点火プラグ側にオフセットした位置でかつ前記ピストン上面の上方位置を中心とする凹曲面形状を有することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式エンジン。
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