JP3800764B2 - Piston for in-cylinder internal combustion engine - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガソリン機関に代表される筒内噴射式内燃機関のピストン、特に、シリンダ内に生成されるタンブル成分およびスワール成分を利用して、均質燃焼と成層燃焼の双方が可能な筒内噴射式内燃機関のピストンの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
全開出力時等にシリンダ内に略均質な空燃比の混合気を形成していわゆる均質燃焼を行うとともに、低負荷域では、シリンダ内の一部つまり点火プラグ近傍のみに比較的濃い混合気を形成して平均的な空燃比を非常に大きく得るようした成層燃焼を行う筒内噴射式内燃機関が従来から種々提案されている。
【０００３】
成層希薄燃焼を可能とした筒内噴射式内燃機関のピストンとしては、例えば、特公平８−３５４２９号公報に記載のものが知られている。この公報に記載の内燃機関は、ピストンの頂部に、ピストン外形円に対し偏心した非円形のボウル（キャビティ）が形成されているとともに、ピストン上死点付近において該ボウルへ向けて燃料を噴射供給できるように燃料噴射弁が配置されている。上記ボウルは、内部に燃料およびスワールを封じ込めるように、リエントラント型の構成となっている。また、このボウルに強いスワールを生成するために、一対の吸気ポートの一方をヘリカルポートとして構成するとともに、他方の吸気ポートを開閉する空気制御弁を備えている。
【０００４】
つまり、この公報の内燃機関では、希薄燃焼時には、上記空気制御弁を閉じて一方のヘリカルポートのみから新気を導入し、シリンダ内に強いスワールを生成する。このスワールは、ピストンの上昇に伴ってボウル内に導入されるので、圧縮上死点付近でボウル内に燃料を噴射することにより、ボウル内で可燃混合気が形成され、かつ点火プラグ近傍に運ばれる。従って、適宜な時期に点火を行うことにより、着火燃焼に至ることになる。
【０００５】
また特開平５−２３１１５５号公報には、ピストン頂部に、ピストン外形円に対し偏心した略半球状の深いボウル（深皿部）を凹設するとともに、このボウルの外周の一部に、点火プラグを囲むように半径方向に部分的に窪んだプラグポケットを設けた筒内噴射式内燃機関用ピストンが開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように吸気行程付近で燃料噴射を行うことによる均質燃焼と圧縮行程付近で燃料噴射を行うことによる成層燃焼とを両立させるようにした筒内噴射式内燃機関の従来のピストンにおいては、ボウルの深さを深くすると、成層燃焼時に燃料噴霧のピストン衝突までの衝突距離を長く確保できることから、燃料の霧化時間を確保でき、スモークの発生やそれに伴う点火プラグのくすぶりを防止できる利点がある。しかし、その反面、ボウルの深さを大きくすることは、機関の圧縮比を高く維持する上で制限があり、また、均質燃焼による全開性能が低下する主要な要因となる。
【０００７】
この発明は、成層希薄燃焼と均質燃焼とを一層高いレベルで両立させることができる筒内噴射式内燃機関のピストンを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る筒内噴射式内燃機関のピストンは、シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ型燃焼室に２つの吸気弁および２つの排気弁を有するとともに、シリンダ略中央に点火プラグを有し、かつ、シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁がシリンダ略中央を指向した姿勢で吸気弁側に配置され、シリンダ内にタンブル流成分を付与した状態で吸気行程付近で燃料噴射を行うことにより均質燃焼を実現するとともに、シリンダ内にスワール成分を付与した状態で圧縮行程付近で燃料噴射を行うことにより成層燃焼を実現するようにした筒内噴射式内燃機関のピストンにおいて、
上記ペントルーフ型燃焼室の排気弁側の傾斜面に略平行となるように傾斜した排気弁側傾斜面およびペントルーフ型燃焼室の吸気弁側の傾斜面に略平行となるように傾斜した吸気弁側傾斜面を有する頂部の凸部と、ピストン外形円に対し吸気弁側に偏心した位置に凹設され、かつ上記点火プラグがその外周部に位置する略真円形のボウルと、このボウル内で点火プラグのスワール上流側となる部分において該ボウルの底面にさらに部分的に凹設された深底部と、を備えていることを特徴としている。
【０００９】
上記の構成では、吸気弁側傾斜面と排気弁側傾斜面とを有するピストン頂部の凸部が、ピストン上死点において、シリンダヘッド側の燃焼室内に入り込むようになっており、両者間の空間は非常に小さなものとなる。成層燃焼時には、例えば一方の吸気ポートを閉じる等の手段によって、シリンダ内にスワールが生成される。このスワールは、ピストンの上昇に伴ってボウル内に封じ込められるが、ボウルが略真円形であるため、十分なスワールをボウル内に確保できる。そして、上死点近傍で燃料がボウルへ向けて噴射されることにより、成層燃焼を実現できる。ここで、燃料噴射弁からシリンダ略中央の点火プラグへ向かって噴射された燃料噴霧は、実際には、スワールによって僅かに曲げられ、ボウル底面にさらに部分的に凹設された深底部内に衝突する。この衝突した燃料は、スワールに乗ってボウル内を点火プラグ側へ移動し、点火プラグ周辺に可燃混合気を形成する。このように、ボウル内の深底部に衝突させることで、燃料噴射弁からピストンとの衝突に至るまでの燃料噴霧の衝突距離が大きくなり、燃料の霧化時間が十分に確保されて、燃料液膜の形成が抑制される。従って、スモークの発生やそれに伴う点火プラグのくすぶりが抑制される。
【００１０】
また均質燃焼時には、一対の吸気弁を介してシリンダ内に流入した新気によってタンブル流が生成され、かつ吸気行程付近で燃料が噴射される。このタンブル流によってボウル内の燃料の滞留が防止され、均質な混合気による均質燃焼を実現できる。
【００１１】
ここで、上記深底部は、ボウルの底面の一部であるので、ボウル全体の容積としては比較的小さなものとなり、圧縮比に及ぼす影響が小さく、かつ、ボウルの底面自体は相対的に浅くできるので、均質燃焼も良好なものとなる。
【００１２】
請求項１の発明をさらに具体化した請求項２の発明では、上記深底部は、圧縮行程中に噴射された燃料噴霧がボウル底面に衝突する干渉領域を含む範囲に形成されている。
【００１３】
これにより、成層燃焼とすべく圧縮行程中に噴射された燃料噴霧は、その全体が深底部内に衝突することになり、深底部以外でのボウル底面における液膜発生が防止される。
【００１４】
また請求項３の発明は、さらに、点火プラグの直下の位置において、上記深底部の底面とボウル底面とを接続する傾斜面が形成されていることを特徴としている。
【００１５】
この構成では、深底部内に形成された比較的濃い混合気がスワールに乗って点火プラグ下方へ移動すると、ボウル底面へ向かう傾斜面に沿って上方へ案内され、点火プラグ周辺に確実に集められる。そのため、より安定した成層状態が形成される。
【００１６】
また請求項４の発明では、点火プラグよりもスワール下流側となる部分のボウル外周縁がリエントラント形状となっている。これにより、深底部で形成されてスワールとともに点火プラグ側へ旋回してきた混合気が、ボウルの外周壁面を越えてボウルの外部へ飛び出すことが防止される。つまり、成層燃焼時に、ボウル内にスワールおよび混合気を確実に封じ込めておくことができ、成層燃焼が良好なものとなる。
【００１７】
さらに請求項５の発明は、上記燃料噴射弁が初期噴霧を有するものであることを前提としており、かつこの初期噴霧に対応して、点火プラグ直下のボウル側壁面底部が、曲率半径の大きなＲ面をなしている。初期噴霧とは、燃料噴射弁の計量部（シート面）よりも下流側に溜まる燃料（前回噴射時の残燃料）が、次の噴射時の主噴霧に先立って噴射されるものであるが、この初期噴霧は、主噴霧に比較して粒径が大きく、貫徹力が強いため、スワールに影響されずに直進しようとする。従って、この初期噴霧は、点火プラグ直下のＲ面からなるボウル側壁面底部に衝突し、上方の点火プラグ近傍へ案内される。
【００１８】
【発明の効果】
この発明に係る筒内噴射式内燃機関のピストンによれば、圧縮行程付近で燃料噴射を行う成層燃焼時に、燃料噴霧が向かう深底部底面と燃料噴射弁との間に、十分に大きな衝突距離を確保することができ、燃料の霧化時間が長くなることにより燃料液膜形成が抑制されるため、スモークの発生やそれに伴う点火プラグのくすぶりを防止することができる。また、深底部はボウルの一部にのみ設けられるので、内燃機関の圧縮比に与える影響は比較的小さく、かつタンブル流を利用した均質燃焼も十分に良好なものとすることができる。つまり、均質燃焼による全開性能と成層希薄燃焼とを一層高いレベルで両立させることができる。特に請求項２のように構成することにより、ボウル底面での液膜の形成を確実に抑制できる。
【００１９】
また請求項３の構成によれば、スワールを利用して点火プラグ近傍へ混合気を一層確実に集めることができる。
【００２０】
また請求項４の構成によれば、ボウルの外部へ燃料が飛び出すことを防止でき、燃料の飛び出しによる未燃ＨＣの増加や燃費の悪化を回避できる。
【００２１】
さらに請求項５の構成によれば、スワールに影響されずに直進しようとする初期噴霧についても点火プラグ近傍へ案内することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２３】
始めに、この発明のピストン４が用いられる筒内噴射式内燃機関の構成を図１および図２に基づいて説明する。図示するように、シリンダブロック１には、複数のシリンダ３が直列に配置されており、その上面を覆うように、シリンダヘッド２が固定されている。上記シリンダ３内には、ピストン４が摺動可能に嵌合している。また、上記シリンダヘッド２に凹設された燃焼室１１は、いわゆるペントルーフ型に構成されており、その一方の傾斜面１１ａに一対の吸気弁５が、他方の傾斜面１１ｂに一対の排気弁６がそれぞれ配置されている。そして、これらの一対の吸気弁５および一対の排気弁６によって囲まれたシリンダ３の略中心位置に、点火プラグ７が配置されている。
【００２４】
上記シリンダヘッド２には、一対の吸気弁５にそれぞれ対応する一対の吸気ポート８が、互いに独立して形成されている。つまり、この一対の吸気ポート８は、シリンダヘッド２内で合流せず、それぞれシリンダヘッド２側面において独立して開口している。また上記排気弁６に対応して排気ポート９が形成されている。
【００２５】
略円筒状をなす電磁式燃料噴射弁１０は、吸気弁５側のシリンダ３側壁寄りのシリンダヘッド２下面部に配置されており、その中心軸が斜め下方へ向かった姿勢で取り付けられている。特に、図２に示すように、上記燃料噴射弁１０は、２つの吸気弁５の間に配置され、点火プラグ７が位置するシリンダ３中心ヘ噴霧軸線が指向している。
【００２６】
上記シリンダ３内に配置されたピストン４の頂部には、後述するように、吸気弁５側に偏心した位置に、円形のボウル１２が形成されており、ピストン４が上死点近傍にあるときに、上記燃料噴射弁１０の噴霧軸線がこのボウル１２を指向するようになっている。
【００２７】
上記の一対の吸気ポート８は、それぞれ吸気マニホルド１３側に独立して形成された一対の吸気通路１４ａ，１４ｂに接続されている。そして、一方の吸気通路１４ｂ内には、該吸気通路１４ｂを開閉するバタフライバルブ型の空気制御弁１５が介装されている。この空気制御弁１５は、シャフト１６を介して図示せぬ駆動機構により機関運転条件に応じて開閉制御される。なお、上記空気制御弁１５が閉じた状態では、他方の吸気通路１４ａに連なる吸気ポート８のみを通して新気が流入するのであるが、この吸気ポート８は、ヘリカルポートではなく、緩く湾曲した略直線状のポート形状をなしている。
【００２８】
上記の内燃機関の基本的な作用について簡単に説明すると、先ず、機関の全負荷時あるいは希薄燃焼域の中でも比較的空燃比が小さな領域では、シリンダ３内に均質な混合気を形成して点火する均質燃焼が行われる。この均質燃焼時には、上記空気制御弁１５は、開状態に制御され、一対の吸気ポート８の双方からシリンダ３内へ新気が導入される。これにより、シリンダ３内には、強いタンブル流（縦渦）が生成される。また、燃料は、吸気行程中にシリンダ３内に噴射供給される。この燃料は、タンブル流によってシリンダ３内で積極的に拡散され、ボウル１２内に滞留することなく均質化が促進される。
【００２９】
一方、低負荷域で、かつ空燃比を非常に大きくする希薄燃焼域では、混合気の成層化により確実な着火を可能とする成層希薄燃焼を行う。この成層希薄燃焼時には、上記空気制御弁１５が閉じられ、一方の吸気ポート８のみからシリンダ３内に新気が流入する。これにより、シリンダ３内では、タンブル成分が相対的に弱められ、かつ水平方向に沿ったスワール流が強く生成される。そして、この成層希薄燃焼の際には、燃料は、圧縮行程の後半において燃料噴射弁１０からボウル１２へ向けて噴射される。この噴射された燃料は、ピストン４頂部のボウル１２内に封じ込められたスワール流に乗って点火プラグ７側へ移動し、点火プラグ７周辺に着火可能な混合気を形成するので、適宜なタイミングで点火することにより、着火燃焼が可能となる。
【００３０】
次に、図３〜図５に基づいて、第１実施例に係るピストン４の構成、特にその頂部の構成を詳細に説明する。
【００３１】
このピストン４においては、上死点において、ボウル１２がシリンダ３内の空間の大部分を占めるように、頂面に凸部２１が設けられている。この凸部２１は、基本的に４つの面から構成されている。すなわち、シリンダヘッド２側のペントルーフ型燃焼室１１を構成する２つの傾斜面１１ａ，１１ｂに対し略平行な平面からなる吸気弁側傾斜面２２および排気弁側傾斜面２３と、ピストン４の外形円と同心の円錐面からなる一対の円錐形側面２４，２５とによって、凸部２１が構成されている。
【００３２】
上記凸部２１における円錐形側面２４，２５の円錐の頂角は、比較的小さく、図４に示すように、円錐形側面２４，２５は、切り立ったものとなっている。そして、これに伴い、凸部２１の尾根部分はピストンピン軸方向に沿ってピストン４外形円近くまで延びている。これによって、ピストン４が上死点にあるときに、上記円錐形側面２４，２５とシリンダヘッド２側燃焼室１１との間に生じるクリアランスが非常に小さなものとなっており、シリンダ３内に残る容積の大部分をボウル１２が占有する。
【００３３】
そして、上記凸部２１の外周には、環状水平面２６が形成されている。この環状水平面２６は、ピストン４の中心線と直交する一つの平面から構成されているものであり、ピストン４の全周に亙って細い環状に連続している。
【００３４】
また、上記のボウル１２が、上記吸気弁側傾斜面２２を中心とした範囲に凹設されている。上記ボウル１２は、ピストン４の平面上で見て真円形をなし、かつピストン４の半径よりも僅かに大きい直径を有していて、その一部が環状水平面２６および排気弁側傾斜面２３に差しかかっている。そして、底面１２ａがピストン４中心線と直交する面に沿っているとともに、内周壁面が上方へ立ち上がった皿形をなしている。また図２に示すように、ピストン４が上死点にあるときに、点火プラグ７がボウル１２内に入り、かつその外周部に位置するように配置されている。
【００３５】
ここで、上記ボウル１２の底面１２ａの一部、詳しくはボウル１２内で点火プラグ７のスワール上流側となる略半円形の部分に、部分的に凹設された深底部３１が設けられている。この深底部３１は、ボウル１２の底面１２ａよりも一段深く形成され、かつその底面３１ａは、やはりピストン４中心線と直交する面に沿っている。また、この深底部３１は、図３に示すように、圧縮行程中に噴射された燃料噴霧がボウル１２底面１２ａに衝突する際の干渉領域（燃料噴霧が衝突する領域）を含む範囲に形成されている。なお、燃料噴霧は、燃料噴射弁１０から点火プラグ７へ向けて噴射されるのであるが、図２に矢印Ｓで示すスワールによって曲げられる結果、図示するように、深底部３１側へ向かうことになる。
【００３６】
上記の構成においては、成層燃焼時にシリンダ３内に生成されたスワールが、ピストン４の上昇に伴って、真円形をなすボウル１２内にスムースに案内され、十分な強さを保ったまま保存される。そして、圧縮行程後半においてボウル１２へ向けて燃料が噴射された後、ピストン４が上死点に近づくと、ボウル１２を有する凸部２１の各面が、シリンダヘッド２側の対応する面にそれぞれ近接するため、ボウル１２が全周に亙って良好にシールされた状態となる。従って、ボウル１２内のスワールや混合気が外部へ漏出せずに該ボウル１２内で燃焼が進行する。ここで、燃料噴射弁１０からボウル１２内へ向かって噴射された燃料噴霧は、上述のようにスワールＳによって僅かに曲げられ、ボウル１２底面１２ａにさらに部分的に凹設された深底部３１内に衝突する。この衝突した燃料は、スワールＳに乗ってボウル１２内を点火プラグ７側へ移動し、点火プラグ７周辺に可燃混合気を形成する。このように、ボウル１２内の深底部３１に噴霧を衝突させることで、燃料噴射弁１０からピストン４との衝突に至るまでの燃料噴霧の衝突距離が大きくなり、燃料の霧化時間が十分に確保されて、燃料液膜の形成が抑制される。従って、スモークの発生やそれに伴う点火プラグ７のくすぶりが抑制される。
【００３７】
そして、上記深底部３１は、ボウル１２の底面１２ａの一部にのみ形成されているので、ボウル１２全体の容積としては比較的小さなものとなり、圧縮比に及ぼす影響が小さい。しかも、スモーク抑制の上で必要な噴霧衝突距離に比較してボウル１２自体の深さは相対的に浅くできるので、均質燃焼も良好なものとなり、十分な全開出力を確保できる。
【００３８】
次に、図６〜図８は、この発明に係るピストン４の第２実施例を示している。
【００３９】
この実施例においては、ボウル１２底面１２ａに上記第１実施例と同様の深底部３１が形成されているとともに、点火プラグ７直下の位置に、深底部３１底面３１ａとボウル１２底面１２ａとを接続する傾斜面３２が形成されている。つまり、図７に示すように、深底部３１の底面３１ａから点火プラグ７へ向かって徐々に浅くなっていき、ボウル１２底面１２ａに連続している。
【００４０】
この実施例では、燃料噴霧により深底部３１内に形成された比較的濃い混合気がスワールＳに乗って点火プラグ７下方へ移動すると、上記傾斜面３２に沿って上方へ案内され、点火プラグ７周辺に確実に集められる。そのため、より安定した成層状態が形成される。
【００４１】
図９〜図１１は、この発明に係るピストン４の第３実施例を示している。
【００４２】
この実施例においては、ボウル１２底面１２ａに上記第１実施例と同様の深底部３１が形成されているとともに、ボウル１２の外周縁の一部が、図１０に明らかなように、リエントラント形状をなしている。つまり、開口縁部分が内周側へ張り出している。このリエントラント形状をなす部分は、ボウル１２の円周の中で、点火プラグ７よりもスワール下流側となる部分であり、かつボウル１２中心を挟んで深底部３１に対向する部分に設けられている。
【００４３】
この実施例では、深底部３１内で形成されてスワールＳとともに点火プラグ７側へ旋回してきた混合気が、ボウル１２の外周壁面を越えてボウル１２の外部へ飛び出すことが防止される。つまり、成層燃焼時に、ボウル１２内にスワールＳおよび混合気を確実に封じ込めておくことができ、成層燃焼が一層良好なものとなる。
【００４４】
図１２〜図１４は、この発明に係るピストン４の第４実施例を示している。
【００４５】
この第４実施例は、燃料噴射弁１０がいわゆる初期噴霧を有するものである場合に、適用されるものである。この実施例においては、ボウル１２底面１２ａに上記第１実施例と略同様の深底部３１が形成されている。この深底部３１は、点火プラグ７よりもスワール上流側に位置しているが、図１２に示すように、燃料噴射弁１０と点火プラグ７とを結ぶ中心線よりも僅かに外側の範囲にまで広がっている。そして、この深底部３１が点火プラグ７下方にまで延長されているとともに、点火プラグ７直下の部分３３が、図１４のように、曲率半径の大きなＲ面をなしている。つまり、この点火プラグ７下方の部分では、深底部３１がボウル１２側壁面に達しており、かつ深底部３１底面３１ａとボウル１２側壁面とをつなぐボウル１２側壁面底部の部分３３が緩やかなＲ面となっている。
【００４６】
この実施例では、成層燃焼のために圧縮行程中に燃料が噴射されたときに、主噴霧Ｆ１に先立って噴射される比較的粒径の大きな初期噴霧Ｆ２が直進してくると、点火プラグ７下方のＲ面に衝突し、ここで反射して、上方の点火プラグ７近傍へ案内される。従って、初期噴霧も有効に利用した形で成層化が図れ、良好な成層希薄燃焼が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る筒内噴射式内燃機関の構成を示す縦断面図。
【図２】シリンダヘッドを下面側から見た状態を示す底面図。
【図３】この発明に係るピストンの第１実施例を示す平面図。
【図４】図３のＡ−Ａ線に沿った断面図。
【図５】図３のＢ−Ｂ線に沿った断面図。
【図６】この発明に係るピストンの第２実施例を示す平面図。
【図７】図６のＣ−Ｃ線に沿った断面図。
【図８】図６のＤ−Ｄ線に沿った断面図。
【図９】この発明に係るピストンの第３実施例を示す平面図。
【図１０】図９のＥ−Ｅ線に沿った断面図。
【図１１】図９のＦ−Ｆ線に沿った断面図。
【図１２】この発明に係るピストンの第４実施例を示す平面図。
【図１３】図１２のＧ−Ｇ線に沿った断面図。
【図１４】図１２のＧ−Ｇ線に沿った断面図。
【符号の説明】
４…ピストン
１２…ボウル
２１…凸部
２２…吸気弁側傾斜面
２３…排気弁側傾斜面
２４，２５…円錐形側面
３１…深底部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piston of a direct injection internal combustion engine typified by a gasoline engine, in particular, a direct injection capable of both homogeneous combustion and stratified combustion using a tumble component and a swirl component generated in the cylinder. The present invention relates to an improvement of a piston of an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
A so-called homogeneous combustion is formed by forming a substantially homogeneous air-fuel ratio mixture in the cylinder at the time of fully open output, etc., and a relatively rich mixture is formed only in a part of the cylinder, that is, in the vicinity of the spark plug in the low load range Various in-cylinder injection internal combustion engines that perform stratified combustion so as to obtain an extremely large average air-fuel ratio have been proposed.
[0003]
As a piston of a direct injection internal combustion engine capable of stratified lean combustion, for example, a piston described in Japanese Patent Publication No. 8-35429 is known. In the internal combustion engine described in this publication, a non-circular bowl (cavity) eccentric to the outer circle of the piston is formed at the top of the piston, and fuel is supplied to the bowl near the top dead center of the piston. A fuel injection valve is arranged so as to be able to. The bowl has a reentrant type configuration so as to contain fuel and swirl inside. In addition, in order to generate a strong swirl in the bowl, one of the pair of intake ports is configured as a helical port, and an air control valve for opening and closing the other intake port is provided.
[0004]
That is, in the internal combustion engine disclosed in this publication, at the time of lean combustion, the air control valve is closed and fresh air is introduced only from one helical port to generate a strong swirl in the cylinder. Since this swirl is introduced into the bowl as the piston rises, fuel is injected into the bowl near the compression top dead center, so that a combustible air-fuel mixture is formed in the bowl and carried to the vicinity of the spark plug. It is. Therefore, ignition is performed by igniting at an appropriate timing.
[0005]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-231155 discloses a substantially hemispherical deep bowl (deep dish portion) that is eccentric with respect to the piston outer circle at the top of the piston, and a spark plug on a part of the outer periphery of the bowl. In-cylinder internal combustion engine pistons having plug pockets partially recessed in the radial direction so as to surround the cylinder are disclosed.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional piston of a direct injection internal combustion engine that achieves both homogeneous combustion by performing fuel injection near the intake stroke and stratified combustion by performing fuel injection near the compression stroke as described above, By increasing the depth of the fuel, it is possible to secure a long collision distance until the piston collision of fuel spray during stratified combustion. . On the other hand, increasing the depth of the bowl has a limitation in maintaining a high compression ratio of the engine, and is a main factor for reducing the fully open performance due to homogeneous combustion.
[0007]
An object of the present invention is to provide a piston of a direct injection internal combustion engine that can achieve both stratified lean combustion and homogeneous combustion at a higher level.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
A piston of a direct injection internal combustion engine according to the present invention has two intake valves and two exhaust valves in a pent roof type combustion chamber recessed in a cylinder head, and has an ignition plug in the approximate center of the cylinder, and A fuel injection valve that directly injects fuel into the cylinder is arranged on the intake valve side in a posture oriented substantially in the center of the cylinder, and is homogeneous by performing fuel injection near the intake stroke with a tumble flow component applied in the cylinder. In a piston of a direct injection internal combustion engine that realizes combustion and realizes stratified combustion by performing fuel injection in the vicinity of the compression stroke in a state where a swirl component is applied in the cylinder,
The exhaust valve side inclined surface inclined substantially parallel to the exhaust valve side inclined surface of the pent roof type combustion chamber and the intake valve side inclined substantially parallel to the intake valve side inclined surface of the pent roof type combustion chamber A convex portion at the top having an inclined surface, a substantially circular bowl in which the spark plug is located at the outer periphery of the piston and is recessed at a position eccentric to the intake valve side, and ignition is performed in the bowl. And a deep bottom portion that is further partially recessed in the bottom surface of the bowl at a portion on the upstream side of the swirl of the plug.
[0009]
In the above configuration, the convex portion of the piston top portion having the intake valve side inclined surface and the exhaust valve side inclined surface enters the combustion chamber on the cylinder head side at the piston top dead center, and the space between the two Will be very small. During stratified combustion, swirl is generated in the cylinder by means such as closing one intake port. The swirl is confined in the bowl as the piston rises. However, since the bowl is substantially round, sufficient swirl can be secured in the bowl. Then, stratified combustion can be realized by injecting fuel toward the bowl near the top dead center. Here, the fuel spray injected from the fuel injection valve toward the spark plug at the substantially center of the cylinder is actually bent slightly by the swirl and collides with the deep bottom portion further recessed in the bottom of the bowl. To do. The collided fuel rides on the swirl and moves in the bowl toward the spark plug, forming a combustible air-fuel mixture around the spark plug. Thus, by colliding with the deep bottom part in the bowl, the collision distance of the fuel spray from the fuel injection valve to the collision with the piston is increased, the fuel atomization time is sufficiently ensured, and the fuel liquid Film formation is suppressed. Therefore, the generation of smoke and the accompanying smoldering of the spark plug are suppressed.
[0010]
In homogeneous combustion, a tumble flow is generated by the fresh air flowing into the cylinder via the pair of intake valves, and fuel is injected near the intake stroke. This tumble flow prevents the fuel from staying in the bowl and achieves homogeneous combustion with a homogeneous mixture.
[0011]
Here, since the deep bottom part is a part of the bottom surface of the bowl, the overall volume of the bowl is relatively small, the influence on the compression ratio is small, and the bottom surface of the bowl itself can be relatively shallow. Therefore, homogeneous combustion is also good.
[0012]
In the invention of claim 2 further embodying the invention of claim 1, the deep bottom portion is formed in a range including an interference region in which fuel spray injected during the compression stroke collides with the bottom of the bowl.
[0013]
As a result, the fuel spray injected during the compression stroke to achieve stratified combustion collides with the deep bottom portion, and the generation of a liquid film on the bottom surface of the bowl other than the deep bottom portion is prevented.
[0014]
The invention of claim 3 is further characterized in that an inclined surface connecting the bottom surface of the deep bottom portion and the bottom surface of the bowl is formed at a position directly below the spark plug.
[0015]
In this configuration, when a relatively rich air-fuel mixture formed in the deep bottom portion moves on the swirl and moves downward in the spark plug, it is guided upward along the inclined surface toward the bottom surface of the bowl and reliably collected around the spark plug. . Therefore, a more stable stratified state is formed.
[0016]
In the invention according to claim 4, the outer peripheral edge of the bowl at the downstream side of the swirl with respect to the spark plug has a reentrant shape. This prevents the air-fuel mixture formed at the deep bottom and swirling with the swirl toward the spark plug from jumping out of the bowl beyond the outer peripheral wall surface of the bowl. That is, at the time of stratified combustion, swirl and air-fuel mixture can be reliably contained in the bowl, and stratified combustion becomes good.
[0017]
Further, the invention of claim 5 is based on the premise that the fuel injection valve has an initial spray, and in response to the initial spray, the bottom of the bowl side wall surface directly below the spark plug has an R having a large curvature radius. It has a surface. The initial spray is a fuel (residual fuel at the time of the previous injection) that accumulates downstream from the metering part (seat surface) of the fuel injection valve, which is injected prior to the main spray at the next injection, Since this initial spray has a larger particle size and strong penetration compared to the main spray, it tries to go straight without being affected by swirl. Accordingly, the initial spray collides with the bottom of the bowl side wall surface formed by the R surface immediately below the spark plug, and is guided to the vicinity of the upper spark plug.
[0018]
【The invention's effect】
According to the piston of the direct injection internal combustion engine according to the present invention, at the time of stratified combustion in which fuel injection is performed near the compression stroke, a sufficiently large collision distance is provided between the bottom surface of the deep bottom portion to which the fuel spray is directed and the fuel injection valve. Since the fuel liquid film formation is suppressed by increasing the fuel atomization time, it is possible to prevent the generation of smoke and the accompanying smoldering of the spark plug. Further, since the deep bottom portion is provided only in a part of the bowl, the influence on the compression ratio of the internal combustion engine is relatively small, and the homogeneous combustion using the tumble flow can be made sufficiently good. That is, the fully open performance by homogeneous combustion and stratified lean combustion can be made compatible at a higher level. In particular, by configuring as in claim 2, the formation of a liquid film on the bottom surface of the bowl can be reliably suppressed.
[0019]
According to the third aspect of the present invention, the air-fuel mixture can be more reliably collected near the spark plug using the swirl.
[0020]
According to the fourth aspect of the present invention, fuel can be prevented from jumping out of the bowl, and an increase in unburned HC and a deterioration in fuel consumption due to the fuel jump can be avoided.
[0021]
Furthermore, according to the structure of Claim 5, it can guide to the vicinity of a spark plug also about the initial stage spray which tries to go straight without being influenced by a swirl.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0023]
First, the configuration of a direct injection internal combustion engine in which the piston 4 of the present invention is used will be described with reference to FIGS. As illustrated, a plurality of cylinders 3 are arranged in series on the cylinder block 1, and a cylinder head 2 is fixed so as to cover the upper surface thereof. A piston 4 is slidably fitted in the cylinder 3. The combustion chamber 11 recessed in the cylinder head 2 has a so-called pent roof type, and a pair of intake valves 5 is provided on one inclined surface 11a and a pair of exhaust valves 6 is provided on the other inclined surface 11b. Are arranged respectively. A spark plug 7 is disposed at a substantially central position of the cylinder 3 surrounded by the pair of intake valves 5 and the pair of exhaust valves 6.
[0024]
The cylinder head 2 is formed with a pair of intake ports 8 corresponding to the pair of intake valves 5 independently of each other. That is, the pair of intake ports 8 do not merge in the cylinder head 2 and open independently on the side surfaces of the cylinder head 2. An exhaust port 9 is formed corresponding to the exhaust valve 6.
[0025]
The electromagnetic fuel injection valve 10 having a substantially cylindrical shape is disposed on the lower surface portion of the cylinder head 2 near the side wall of the cylinder 3 on the intake valve 5 side, and is attached in such a posture that its central axis is directed obliquely downward. In particular, as shown in FIG. 2, the fuel injection valve 10 is disposed between the two intake valves 5, and the spray axis is directed toward the center of the cylinder 3 where the spark plug 7 is located.
[0026]
As will be described later, a circular bowl 12 is formed on the top of the piston 4 disposed in the cylinder 3 at a position eccentric to the intake valve 5 side, and the piston 4 is in the vicinity of the top dead center. In addition, the spray axis of the fuel injection valve 10 is directed to the bowl 12.
[0027]
The pair of intake ports 8 are connected to a pair of intake passages 14a and 14b that are independently formed on the intake manifold 13 side. A butterfly valve type air control valve 15 for opening and closing the intake passage 14b is interposed in the one intake passage 14b. The air control valve 15 is controlled to open and close according to engine operating conditions by a drive mechanism (not shown) via a shaft 16. In the state where the air control valve 15 is closed, fresh air flows only through the intake port 8 connected to the other intake passage 14a. However, the intake port 8 is not a helical port, but is a loosely curved substantially straight line. Port shape.
[0028]
The basic operation of the internal combustion engine will be briefly described. First, a homogeneous air-fuel mixture is formed in the cylinder 3 at the time of full load of the engine or in a region where the air-fuel ratio is relatively small in the lean combustion region. Homogeneous combustion is performed. During the homogeneous combustion, the air control valve 15 is controlled to be in an open state, and fresh air is introduced into the cylinder 3 from both the pair of intake ports 8. Thereby, a strong tumble flow (longitudinal vortex) is generated in the cylinder 3. The fuel is injected and supplied into the cylinder 3 during the intake stroke. This fuel is actively diffused in the cylinder 3 by the tumble flow, and homogenization is promoted without staying in the bowl 12.
[0029]
On the other hand, in a lean combustion region where the air-fuel ratio is very large in a low load region, stratified lean combustion is performed to enable reliable ignition by stratification of the mixture. During this stratified lean combustion, the air control valve 15 is closed, and fresh air flows into the cylinder 3 from only one intake port 8. Thereby, in the cylinder 3, the tumble component is relatively weakened and a swirl flow along the horizontal direction is generated strongly. During this stratified lean combustion, fuel is injected from the fuel injection valve 10 toward the bowl 12 in the latter half of the compression stroke. This injected fuel rides on the swirl flow confined in the bowl 12 at the top of the piston 4 and moves toward the spark plug 7 to form an ignitable air-fuel mixture around the spark plug 7. Ignition combustion is possible by igniting.
[0030]
Next, based on FIGS. 3-5, the structure of the piston 4 which concerns on 1st Example, especially the structure of the top part are demonstrated in detail.
[0031]
In the piston 4, a convex portion 21 is provided on the top surface so that the bowl 12 occupies most of the space in the cylinder 3 at the top dead center. The convex portion 21 is basically composed of four surfaces. That is, the intake valve side inclined surface 22 and the exhaust valve side inclined surface 23 which are substantially parallel to the two inclined surfaces 11a and 11b constituting the pent roof type combustion chamber 11 on the cylinder head 2 side, and the outer circle of the piston 4 The convex portion 21 is constituted by a pair of conical side surfaces 24 and 25 having conical surfaces concentric with each other.
[0032]
The apex angle of the cones of the conical side surfaces 24 and 25 in the convex portion 21 is relatively small, and the conical side surfaces 24 and 25 are standing as shown in FIG. Along with this, the ridge portion of the convex portion 21 extends to the vicinity of the piston 4 outer circle along the piston pin axial direction. Thereby, when the piston 4 is at the top dead center, the clearance generated between the conical side surfaces 24 and 25 and the cylinder head 2 side combustion chamber 11 is very small and remains in the cylinder 3. Bowl 12 occupies most of the volume.
[0033]
An annular horizontal surface 26 is formed on the outer periphery of the convex portion 21. The annular horizontal plane 26 is composed of a single plane orthogonal to the center line of the piston 4, and is continuous in a thin annular shape over the entire circumference of the piston 4.
[0034]
The bowl 12 is recessed in a range centered on the intake valve side inclined surface 22. The bowl 12 has a true circular shape when viewed on the plane of the piston 4 and has a diameter slightly larger than the radius of the piston 4, and a part of the bowl 12 is formed on the annular horizontal surface 26 and the exhaust valve side inclined surface 23. I'm approaching. And while the bottom face 12a is along the surface orthogonal to the piston 4 centerline, the inner peripheral wall surface has risen upwards. As shown in FIG. 2, when the piston 4 is at the top dead center, the spark plug 7 is disposed in the bowl 12 and positioned on the outer periphery thereof.
[0035]
Here, a part of the bottom surface 12 a of the bowl 12, specifically, a substantially semicircular portion on the swirl upstream side of the spark plug 7 in the bowl 12 is provided with a deep bottom portion 31 that is partially recessed. . The deep bottom portion 31 is formed one step deeper than the bottom surface 12a of the bowl 12, and the bottom surface 31a is also along a plane perpendicular to the center line of the piston 4. Further, as shown in FIG. 3, the deep bottom portion 31 is formed in a range including an interference region (region where fuel spray collides) when fuel spray injected during the compression stroke collides with the bottom surface 12 a of the bowl 12. ing. Note that the fuel spray is injected from the fuel injection valve 10 toward the spark plug 7, but as a result of being bent by the swirl indicated by the arrow S in FIG. Become.
[0036]
In the above configuration, the swirl generated in the cylinder 3 at the time of stratified combustion is smoothly guided into the true circular bowl 12 as the piston 4 rises, and is stored while maintaining sufficient strength. The Then, after the fuel is injected toward the bowl 12 in the latter half of the compression stroke, when the piston 4 approaches top dead center, each surface of the convex portion 21 having the bowl 12 is respectively corresponding to the corresponding surface on the cylinder head 2 side. Because of the proximity, the bowl 12 is well sealed over the entire circumference. Therefore, the combustion progresses in the bowl 12 without the swirl or air-fuel mixture in the bowl 12 leaking outside. Here, the fuel spray injected from the fuel injection valve 10 into the bowl 12 is slightly bent by the swirl S as described above, and is further deeply recessed in the bottom surface 12 a of the bowl 12. Collide with. The fuel that has collided rides on the swirl S and moves in the bowl 12 toward the spark plug 7 to form a combustible air-fuel mixture around the spark plug 7. In this way, by causing the spray to collide with the deep bottom 31 in the bowl 12, the collision distance of the fuel spray from the fuel injection valve 10 to the collision with the piston 4 is increased, and the fuel atomization time is sufficient. As a result, the formation of the fuel liquid film is suppressed. Therefore, the generation of smoke and the accompanying smoldering of the spark plug 7 are suppressed.
[0037]
Since the deep bottom portion 31 is formed only on a part of the bottom surface 12a of the bowl 12, the overall volume of the bowl 12 is relatively small, and the influence on the compression ratio is small. In addition, since the depth of the bowl 12 itself can be made relatively smaller than the spray collision distance necessary for suppressing smoke, the homogeneous combustion is also good, and a sufficiently full output can be secured.
[0038]
6 to 8 show a second embodiment of the piston 4 according to the present invention.
[0039]
In this embodiment, a deep bottom portion 31 similar to that of the first embodiment is formed on the bottom surface 12a of the bowl 12, and the deep bottom portion 31 bottom surface 31a and the bowl 12 bottom surface 12a are connected to a position directly below the spark plug 7. An inclined surface 32 is formed. That is, as shown in FIG. 7, the depth gradually decreases from the bottom surface 31 a of the deep bottom portion 31 toward the spark plug 7, and continues to the bottom surface 12 a of the bowl 12.
[0040]
In this embodiment, when a relatively rich air-fuel mixture formed in the deep bottom portion 31 by fuel spray rides on the swirl S and moves below the spark plug 7, it is guided upward along the inclined surface 32, and the spark plug 7 It is surely collected around. Therefore, a more stable stratified state is formed.
[0041]
9 to 11 show a third embodiment of the piston 4 according to the present invention.
[0042]
In this embodiment, a deep bottom portion 31 similar to that of the first embodiment is formed on the bottom surface 12a of the bowl 12, and a part of the outer peripheral edge of the bowl 12 has a reentrant shape as shown in FIG. There is no. That is, the opening edge portion projects to the inner peripheral side. The reentrant-shaped portion is a portion on the swirl downstream side of the spark plug 7 in the circumference of the bowl 12 and is provided at a portion facing the deep bottom portion 31 across the center of the bowl 12. .
[0043]
In this embodiment, the air-fuel mixture formed in the deep bottom portion 31 and swirling with the swirl S toward the spark plug 7 is prevented from jumping out of the bowl 12 beyond the outer peripheral wall surface of the bowl 12. That is, at the time of stratified combustion, the swirl S and the air-fuel mixture can be reliably contained in the bowl 12, and the stratified combustion becomes even better.
[0044]
12 to 14 show a fourth embodiment of the piston 4 according to the present invention.
[0045]
The fourth embodiment is applied when the fuel injection valve 10 has a so-called initial spray. In this embodiment, a deep bottom 31 substantially the same as that of the first embodiment is formed on the bottom surface 12a of the bowl 12. The deep bottom portion 31 is located on the swirl upstream side of the spark plug 7, but as shown in FIG. 12, the deep bottom portion 31 is slightly outside the center line connecting the fuel injection valve 10 and the spark plug 7. It has spread. And this deep bottom part 31 is extended to the downward direction of the spark plug 7, and the part 33 just under the spark plug 7 has comprised the R surface with a large curvature radius like FIG. That is, in the portion below the spark plug 7, the deep bottom portion 31 reaches the side wall surface of the bowl 12, and the bottom portion 33 of the bowl 12 side wall surface connecting the bottom surface 31a of the deep bottom portion 31 and the side wall surface of the bowl 12 has a gentle R. It is a surface.
[0046]
In this embodiment, when fuel is injected during the compression stroke for stratified combustion, if the initial spray F2 having a relatively large particle size injected prior to the main spray F1 advances straight, the spark plug 7 It collides with the lower R surface, reflects here, and is guided to the vicinity of the upper spark plug 7. Therefore, stratification can be achieved in the form of effective use of the initial spray, and good stratified lean combustion becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a direct injection internal combustion engine according to the present invention.
FIG. 2 is a bottom view showing a state in which the cylinder head is viewed from the lower surface side.
FIG. 3 is a plan view showing a first embodiment of a piston according to the present invention.
4 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 3;
5 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
FIG. 6 is a plan view showing a second embodiment of the piston according to the present invention.
7 is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG.
8 is a cross-sectional view taken along the line DD of FIG.
FIG. 9 is a plan view showing a third embodiment of the piston according to the present invention.
10 is a cross-sectional view taken along line EE in FIG.
11 is a cross-sectional view taken along the line FF in FIG. 9;
FIG. 12 is a plan view showing a fourth embodiment of the piston according to the present invention.
13 is a cross-sectional view taken along the line GG of FIG.
14 is a cross-sectional view taken along the line GG in FIG.
[Explanation of symbols]
4 ... Piston 12 ... Bowl 21 ... Convex part 22 ... Intake valve side inclined surface 23 ... Exhaust valve side inclined surface 24, 25 ... Conical side surface 31 ... Deep bottom part

Claims (5)

シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ型燃焼室に２つの吸気弁および２つの排気弁を有するとともに、シリンダ略中央に点火プラグを有し、かつ、シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁がシリンダ略中央を指向した姿勢で吸気弁側に配置され、シリンダ内にタンブル流成分を付与した状態で吸気行程付近で燃料噴射を行うことにより均質燃焼を実現するとともに、シリンダ内にスワール成分を付与した状態で圧縮行程付近で燃料噴射を行うことにより成層燃焼を実現するようにした筒内噴射式内燃機関のピストンにおいて、
上記ペントルーフ型燃焼室の排気弁側の傾斜面に略平行となるように傾斜した排気弁側傾斜面およびペントルーフ型燃焼室の吸気弁側の傾斜面に略平行となるように傾斜した吸気弁側傾斜面を有する頂部の凸部と、ピストン外形円に対し吸気弁側に偏心した位置に凹設され、かつ上記点火プラグがその外周部に位置する略真円形のボウルと、このボウル内で点火プラグのスワール上流側となる部分において該ボウルの底面にさらに部分的に凹設された深底部と、を備えていることを特徴とする筒内噴射式内燃機関のピストン。A fuel injection valve that has two intake valves and two exhaust valves in a pent roof type combustion chamber recessed in the cylinder head, has an ignition plug in the approximate center of the cylinder, and directly injects fuel into the cylinder It is arranged on the intake valve side in a posture that is oriented substantially at the center, and achieves homogeneous combustion by injecting fuel in the vicinity of the intake stroke with a tumble flow component in the cylinder, and a swirl component is added in the cylinder In a piston of a direct injection internal combustion engine that realizes stratified combustion by performing fuel injection near the compression stroke in a state,
The exhaust valve side inclined surface inclined substantially parallel to the exhaust valve side inclined surface of the pent roof type combustion chamber and the intake valve side inclined substantially parallel to the intake valve side inclined surface of the pent roof type combustion chamber A convex portion at the top having an inclined surface, a substantially circular bowl in which the spark plug is located at the outer peripheral portion of the piston and is recessed at a position eccentric to the intake valve side, and ignition is performed in the bowl. A piston for a direct injection internal combustion engine, comprising: a deep bottom portion further recessed in the bottom surface of the bowl at a portion of the plug on the upstream side of the swirl. 上記深底部は、圧縮行程中に噴射された燃料噴霧がボウル底面に衝突する干渉領域を含む範囲に形成されていることを特徴とする請求項１記載の筒内噴射式内燃機関のピストン。2. The piston of a direct injection internal combustion engine according to claim 1, wherein the deep bottom portion is formed in a range including an interference region in which fuel spray injected during the compression stroke collides with the bottom of the bowl. 点火プラグの直下の位置において、上記深底部の底面とボウル底面とを接続する傾斜面が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の筒内噴射式内燃機関のピストン。The piston of the direct injection internal combustion engine according to claim 1 or 2, wherein an inclined surface connecting the bottom surface of the deep bottom portion and the bottom surface of the bowl is formed at a position immediately below the spark plug. 点火プラグよりもスワール下流側となる部分のボウル外周縁がリエントラント形状となっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関のピストン。The piston of the in-cylinder internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3, wherein the outer peripheral edge of the bowl on the downstream side of the swirl with respect to the spark plug has a reentrant shape. 上記燃料噴射弁が初期噴霧を有するものであり、かつこの初期噴霧に対応して、点火プラグ直下のボウル側壁面底部が、曲率半径の大きなＲ面をなしていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関のピストン。2. The fuel injection valve according to claim 1, wherein the fuel injection valve has an initial spray, and a bottom portion of the bowl side wall directly below the spark plug forms an R surface having a large radius of curvature corresponding to the initial spray. The piston of the cylinder injection internal combustion engine in any one of -4.

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