JP2000097031A

JP2000097031A - 筒内噴射型内燃機関

Info

Publication number: JP2000097031A
Application number: JP11302897A
Authority: JP
Inventors: Hiromitsu Ando; 弘光安東; Satoshi Yoshikawa; 智吉川; Kenji Goshima; 賢司五島; Takashi Kawabe; 敬川辺; Katsunori Ueda; 克則上田; Nobuaki Murakami; 信明村上; Hideyuki Oda; 英幸織田; Kiyouya Igarashi; 京矢五十嵐
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1995-05-16
Filing date: 1999-10-25
Publication date: 2000-04-04
Anticipated expiration: 2015-09-11
Also published as: JP3644329B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、筒内噴射型内燃機関に関し、燃焼
室の形状や燃焼室の構成部品の相対位置関係を燃焼効率
が最高となるように設定して、燃費の向上と出力の向上
とを両立できるようにする。【解決手段】燃焼室３内に直接燃料を噴射する筒内噴
射型内燃機関において、シリンダヘッド８の下面をペン
トルーフ形状に形成し、ピストン２の頂面をペントルー
フ形状に沿うような山型に形成し、少なくともピストン
２の頂面の吸気弁側傾斜上面に凹部２５を設け、ピスト
ン２が上死点位置にあるときの燃焼室３の容積のうち、
凹部２５内の容積Ｖａ及び凹部２５の上方のピストン２
上面とシリンダヘッド８下面との間の容積Ｖｂと、ピス
トン２が上死点位置にあるときの燃焼室３の全容積Ｖａ
＋Ｖｂ＋Ｖｂとの比を０．４〜０．６の間に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、火花点火式であ
り、且つ燃焼室内に直接燃料噴射を行なう、筒内噴射型
内燃機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、内燃機関のうち、主にガソリ
ンを燃料とするようなガソリンエンジンの燃料供給系で
は、燃料噴射装置（インジェクタ）が広く用いられてい
る。このようなガソリンエンジンでは、コントローラ等
の制御ユニットによりインジェクタの作動が制御され、
所定のタイミングに所定量だけ燃料が吸気ポート内に噴
射される。

【０００３】そして、吸気ポート内に噴射された燃料
は、吸気行程で吸入された空気とともに燃焼室内に供給
されて空気と混合し、点火プラグにより点火されて燃焼
するのである。一方、主に軽油等を燃料とするディーゼ
ルエンジンでは、燃焼室内に直接燃料を噴射して、この
燃料を燃焼室内の圧縮空気によって自然発火させてい
る。

【０００４】ところで、上述のようなガソリンエンジン
においても燃焼室内に直接燃料噴射を行なって、機関の
応答性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。このような筒内噴射型内燃機関では、シリン
ダ内に渦流を形成してこの渦流中に燃料噴射を行い、点
火プラグの位置に合わせて所要濃度（理論空燃比近傍の
燃料濃度）の混合気層を形成し、この混合気層の燃料を
点火プラグに供給することで、全体として極めて燃料濃
度の低い（空燃比の高い）状態での燃焼、いわゆる層状
リーン燃焼運転を行なうことができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
筒内噴射型内燃機関では、筒内に噴射された燃料によっ
て燃焼室内の吸気が冷却されるため、ノッキングを抑制
することができ、この結果、圧縮比を高めやすいという
利点がある。したがって、筒内噴射型内燃機関では、こ
の利点を生かすように、ピストンやシリンダヘッドの下
面等により形成される燃焼室の形状を設計することが重
要となっくる。

【０００６】しかしながら、この燃焼室の形状が複雑に
なると、ピストン及び燃焼室の形状や容積や点火プラグ
の配設位置等を僅かに設計変更しただけで、機関の出力
特性や燃費性能が大きく変化してしまうという課題があ
る。そこで、筒内噴射型内燃機関の燃焼室の形状や燃焼
室の構成部品の相対位置関係を燃焼効率が最適となるよ
うな状態に設定したいという要望がある。

【０００７】なお、特開平４−２２８８５０号公報に
は、燃料噴射弁からの噴射燃料がシリンダ内壁に当たら
ないようにした技術が開示されている。しかしながら、
このような技術では、燃料噴射弁からの燃料噴射方向に
ついてのみ着目したもので、上述の課題を解決するよう
なものではない。また、特開平４−５８０３０号公報に
は、筒内噴射型の内燃機関において、自己着火やノッキ
ングやスモークの発生を抑制するための技術が開示され
ている。しかしながら、このような技術は、単に機関を
滑らかに作動させるためのものであり、やはり、上述の
課題を解決するようなものではなかった。

【０００８】また、特開平４−１６６６１２号公報に
は、筒内噴射式内燃機関の低負荷運転時における着火性
を改善するための技術が開示されているが、このような
技術は、燃焼効率が最適となるように燃焼室やピストン
を形成したり、点火プラグの配設位置を規制するもので
はない。また、上述したような技術では、ピストンに上
部に凹部を形成して燃焼室を形成するようになっている
が、ピストンの頂面とシリンダヘッド下面との間にも大
きな空間が形成されており、このような燃焼室形状では
十分な圧縮比が得られず、高出力化が困難であるという
課題がある。

【０００９】本発明は、このような要望や課題に応える
べく創案されたもので、筒内噴射型内燃機関の燃焼室の
形状や燃焼室の構成部品の相対位置関係を燃焼効率が最
適となるような状態に設定して、燃費の向上と出力の向
上とを両立できるようにした、筒内噴射型内燃機関を提
供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の本発明の
筒内噴射型内燃機関では、シリンダヘッド下面をペント
ルーフ形状に形成し、点火プラグをペントルーフ形状の
該燃焼室上面の頂部近傍に配設するとともに、燃焼室の
下面を形成するピストン頂面を、ペントルーフ形状にほ
ぼ沿うような山型に形成する。そして、少なくともピス
トン頂面の吸気弁側傾斜上面に凹部を設け、ピストンが
上死点位置にあるときの燃焼室容積のうち、凹部内の容
積及び凹部の上方のピストン上面とシリンダヘッド下面
との間の容積と、ピストンが上死点位置にあるときの燃
焼室の全容積との比が０．４〜０．６の間に設定する。
そして、このように構成することにより、燃焼室内での
各容積比を最適なものとすることができ、高燃費と高出
力とを両立することができる。

【００１１】また、請求項２記載の本発明の筒内噴射型
内燃機関では、上記請求項１記載の構成において、少な
くともピストン頂面の一側の外周端部に平坦部を形成
し、凹部を、平坦部よりなだらかに形成され燃焼室内に
導入された吸気流が凹部に流入する際の流入部と、凹部
内に流入した吸気流を上記点火プラグ近傍に向かうよう
案内するなだらかに隆起した隆起部と、流入部と隆起部
とを接続する接続部とから構成することにより、燃焼室
内で縦渦流（タンブル流）の形成が促進され層状燃焼を
行ないやすくなる。

【００１２】また、請求項３記載の本発明の筒内噴射型
内燃機関では、上記請求項１記載の構成において、燃焼
室の上面を形成する吸気弁側傾斜下面と排気弁側傾斜下
面とをそれぞれ略平坦に形成することにより、燃焼室内
で発生する縦渦流の形成が促進されて、縦渦流が強化さ
れる。また、請求項４記載の本発明の筒内噴射型内燃機
関では、上記請求項１記載の構成において、ピストンの
排気弁側傾斜上面をシリンダヘッドの排気弁側下面より
も小さな傾斜角に設定するとともに、シリンダヘッドの
排気弁側傾斜下面とピストンの排気弁側傾斜上面との間
の相互間距離が燃焼室の中心側に向けて広がるように形
成し、ピストンの上死点位置において、断面が略楔状と
なる火炎浸入空間を形成することにより、燃焼室内で火
炎が均一に伝播して、ムラのない燃焼が行なわれる。

【００１３】また、請求項５記載の本発明の筒内噴射型
内燃機関では、上記請求項１記載の構成において、ピス
トンが上死点にあるとき、ピストンと排気弁との近接部
分の間隔が、ピストンと吸気弁との近接部分の間隔より
も小さくなるように配設する。これにより、燃焼室全体
の容積比をほとんど変更することなく、燃焼室内の表面
積が低下して熱損失が低減する。

【００１４】また、請求項６記載の本発明の筒内噴射型
内燃機関では、上記請求項１記載の構成において、凹部
を球面により形成することにより、ピストンの凹部の容
積に対する凹部の表面積が最小となる。また、燃焼室内
において吸気流による渦状の流れ、即ちタンブル流の形
成が促進される。また、請求項７記載の本発明の筒内噴
射型内燃機関では、上記請求項６記載の構成において、
凹部をピストンの吸気弁側上部に中心を有する仮想球面
の一部として形成し、ピストンの頂点及びピストンの吸
気弁側傾斜上面の下端が、仮想球面内に包含されるよう
に構成することにより、容易に点火プラグを凹部内に配
設することができる。また、タンブル流の生成も促進さ
れる。

【００１５】また、請求項８記載の本発明の筒内噴射型
内燃機関では、上記請求項６記載の構成において、ピス
トン上死点位置で、燃料噴射弁の噴射口と吸気弁の弁体
とがそれぞれ仮想球面内に包含され、且つ点火プラグの
放電電極の発火点が凹部内に包含されるように構成する
ことにより、凹部に燃料濃度の濃い混合気を生成するこ
とができる。

【００１６】また、請求項９記載の本発明の筒内噴射型
内燃機関では、上記請求項１記載の構成において、ピス
トン頂面に、吸気弁側傾斜上面及び排気弁側傾斜上面を
区画する稜線を形成し、さらに、凹部が稜線を越え且つ
吸気弁側傾斜上面から排気弁側傾斜上面にまで延びて形
成する。これにより、燃焼室内の凹部の容積と燃焼室全
体の容積との比を最適に設定するのが容易となる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面により、本発明の実施
形態について説明する。まず、本発明の第１実施形態と
しての筒内噴射型内燃機関について説明すると、図１は
その燃焼室の構成を示す模式的な断面図、図２（ａ）〜
（ｃ），図１５〜図２２はいずれもその要部としてのピ
ストンの形状を示す模式図、図３はそのピストンの頂面
とシリンダヘッドの下面との相対的な位置関係を示す
図、図４はその燃焼室の全容積とピストンの凹部の容積
との比を説明するための模式図、図５（ａ），（ｂ）は
いずれもそのピストンの凹部形状の容積比の変化に伴う
機関の特性の変化を説明するためのグラフ、図６，図
７，図２３〜図４６はいずれもその変形例を示す模式
図、図８，図９はいずれもその作用を説明するためのグ
ラフ、図１０はその燃焼室の形状の差による燃費及びＨ
Ｃ排出量の変化特性を示すグラフである。

【００１８】図１に示すように、このエンジンの燃焼室
３は、シリンダヘッド８の下面とピストン２の頂面とに
より形成されており、燃焼室３の上面の一方の側には吸
気弁４が、又他方の側には排気弁５が配設されている。
また、シリンダヘッド８の下面、即ち燃焼室３の上面の
うち、吸気弁４の配設された側には、燃焼室３の頂部か
ら端部に向かって傾斜するような吸気弁側傾斜下面８ａ
が形成されており、排気弁５の配設された側には排気弁
側傾斜下面８ｂが形成されている。

【００１９】そして、これらの傾斜下面８ａ，８ｂによ
り燃焼室３の上面側は、図１に示すようなペントルーフ
形状に形成されている。また、シリンダヘッド８には燃
料噴射弁（以下、単にインジェクタという）１が取り付
けられている。このインジェクタ１は、その先端側が燃
焼室３に臨むように配設されており、このインジェクタ
１により燃焼室３内に直接燃料が噴射されるようになっ
ている。

【００２０】次に、ピストン２の形状について説明する
と、図１，図２（ａ）〜（ｃ），図１５〜図２２に示す
ように、燃焼室３の下面を形成するピストン２の頂面に
は、吸気弁側傾斜下面８ａ及び排気弁側傾斜下面８ｂに
それぞれ対応して、ピストン２の中心側に向かって傾斜
した吸気弁側傾斜上面２ａ及び排気弁側傾斜上面２ｂが
形成されており、これらの傾斜上面２ａ，２ｂにより、
ピストン２の頂面がペントルーフ形状にほぼ沿うような
山型に形成されている。なお、これらの傾斜上面２ａ，
２ｂは、ピストン頂面に形成された稜線により区画され
ている。

【００２１】また、このピストン２の吸気弁側傾斜上面
２ａには、図１，図２（ａ）〜（ｃ）に示すような凹部
（以下、単にキャビティという）２５が形成されてい
る。このキャビティ２５は、稜線を分断するように排気
弁側傾斜上面２ｂまで延びて形成されるとともに、下に
凸状に彎曲した球面状に形成されたものであり、ピスト
ン２の吸気弁４側の上部に中心を有する仮想球面２５ａ
の一部として形成されている。

【００２２】また、燃焼室３に開口する吸気ポート（図
１２参照）９は、吸気弁４の上方に略直立するように延
設されており、この吸気ポートを介して吸気流が燃焼室
３に取り入れられると、吸気流は下方のピストン２に向
かって流れた後、ピストン２のキャビティ２５に沿って
案内されて上向きに流れてタンブル流（縦渦流）を形成
するようになっている。

【００２３】なお、特に燃焼室３の傾斜下面８ａ，８ｂ
を略平坦に形成することで、すなわち、シリンダヘッド
８の下面８ａ，８ｂと、吸気弁４，排気弁５との下面と
を連続的につなげることで、タンブル流の流れがスムー
スになり、タンブル流が強化されるようになる。また、
シリンダヘッド８の下面を上述のようにペントルーフ形
状としているのは、主に以下の理由によものである。

【００２４】すなわち、このような筒内噴射型のエンジ
ンでは、エンジン回転数やエンジン負荷により燃料噴射
タイミングが大きく変更されるようになっており、圧縮
行程時にも燃料噴射を成立させる必要がある。このため
には、燃焼室３内で吸気流が乱れることなく連続的に強
い流れを生じさせるのが好ましい。そこで、本実施形態
では、燃焼室３内で生じたタンブル流を特に圧縮行程後
半まで維持させるべく、シリンダヘッド８の吸気弁側下
面８ａ及び排気弁側傾斜下面８ｂをペントルーフ形状と
することで、ピストン２から排気弁側下面８ｂに向かう
タンブル流の流れを、また吸気弁側斜面８ａからピスト
ン２への流れをスムースにし、タンブル流を圧縮行程後
半まで維持させているのである。

【００２５】また、吸気ポート９を略直立に形成するこ
とで、吸気時の抵抗を低減して燃焼室３内に強い吸気流
を導入することで、燃焼室３内で強い縦渦流（タンブル
流）を形成させている。さらに、シリンダヘッド８の吸
気弁側傾斜下面８ａは、吸気弁４を傾斜配置可能なペン
トルーフ形状とすることで、吸気ポート９のレイアウト
の自由度を増大させている。

【００２６】ところで、このキャビティ２５の容積の設
定は、エンジン性能に与える影響が大きく、例えばキャ
ビティ２５の容積が燃焼室３の全容積に対して大きすぎ
ると、図５（ａ）のグラフに示すように、層状燃焼を行
なうには有利であるが、燃焼室３の表面積が大きくなり
熱損失が大きくなってしまう。そして、これにより燃費
が向上するものの、図５（ｂ）のグラフに示すように、
最高出力や最大トルクが低下してしまうことが考えられ
る。

【００２７】また、キャビティ２５の容積が燃焼室３の
全容積に対して小さすぎると、図５（ｂ）のグラフに示
すように、最高出力や最大トルクは向上するが、キャビ
ティ２５内で十分なタンブル流を形成することができ
ず、図５（ａ）のグラフに示すように、燃費の低下を招
いてしまう。そこで、本発明の筒内噴射型内燃機関で
は、機関の出力性能と燃費性能とを両立させるべく、燃
焼室３全体の容積に対してキャビティ２５の容積が所定
の割合の比となるように設定されている。

【００２８】ここで、この容積比の設定について図４を
用いて説明すると、キャビティ２５の容積をＶａ、ピス
トン２が上死点位置にあるときの吸気弁側傾斜下面８ａ
と吸気弁側傾斜上面２ａとの間の容積をＶｂ、又ピスト
ン２が上死点位置にあるときの排気弁側傾斜下面８ｂと
排気弁側傾斜上面２ｂとの間の容積をＶｃとすると、
（Ｖａ＋Ｖｂ）／（Ｖａ＋Ｖｂ＋Ｖｃ）の値が、０．４
〜０．６の間になるように設定されている。

【００２９】そして、本実施形態では、このような燃焼
室３を形成するために、ピストン２の頂面をシリンダヘ
ッド８のペントルーフ形状にほぼ沿うような山型に形成
しているのである。すなわち、このようにピストン２の
頂面を、ペントルーフ形状に形成すると、ピストン２の
上昇時に、ピストン２とシリンダヘッド８とで囲撓され
る空間を減少させることができ、燃焼室３の全容積に対
するキャビティ２５の容積比を大きくすることができる
のである。

【００３０】これにより、このエンジンの圧縮比を大き
くすることができ、出力を大きく向上させることができ
るのである。そして、キャビティ２５の容積比を上述し
たような所定値に設定することにより、燃費の向上と高
出力化とをバランス良く達成することができるのであ
る。また、これに加えて、キャビティ２５の形状を図２
（ａ）〜（ｃ）に示すような球面状に形成することで、
ピストン２のキャビティ容積Ｖａに対するキャビティ表
面積を最小にすることができる利点がある。そして、こ
のようにキャビティ表面積を最小にすることで、熱損失
を小さくすることができ、燃焼効率を向上させることが
できるのである。

【００３１】さらには、キャビティ２５を球面状に形成
することで、燃焼室３内に吸気流による渦状の流れ、即
ちタンブル流を形成し易いという利点もある。また、上
述の仮想球面２５ａは、図１に示すように、ピストン２
の中心軸における断面において、ピストン２の頂点及び
ピストン２の吸気弁側傾斜上面２ａの下端がキャビティ
２５内に包含されるように設定されている。

【００３２】また、ピストン２が上死点位置に達した時
に、インジェクタ１の噴射口と吸気弁４の弁体とがそれ
ぞれ仮想球面２５ａ内に位置するように、インジェクタ
１，吸気弁４及び仮想球面２５ａの位置関係が設定され
ている。そして、このようにインジェクタ１や吸気弁４
を配設することで、着火時には、確実にキャビティ２５
内の燃料濃度が濃い状態となるようになっている。

【００３３】さて、このような筒内噴射型内燃機関で
は、エンジンの運転状況に応じて図示しないコントロー
ラによりインジェクタ１の燃料噴射時期や燃料噴射量が
制御されるようになっており、エンジンの運転状況によ
っては、圧縮行程で燃料噴射が行なわれる。この場合、
燃焼室３内では混合気が空気と燃料との層状に形成さ
れ、燃料（図１中、網かけ部分）は、キャビティ２５内
に比較的多く存在する。したがって、燃焼室内に略均一
の混合気が存在するような通常の内燃機関と異なり、通
常の内燃機関用の点火プラグでは、十分な濃度の可燃混
合気が存在する位置まで電極が届かず、燃焼効率を低下
させてしまうことが考えられる。

【００３４】そこで、本発明の筒内噴射型内燃機関で
は、燃料を確実に燃焼させるために点火プラグ６の配設
位置や電極６ａの長さが燃料の燃焼に最適となるように
設定されている。すなわち、ピストン２の上死点位置へ
の上昇時には、ピストン２と点火プラグ６との干渉を避
けながらも点火プラグ６の電極６ａが確実にキャビティ
２５側に位置するように、点火プラグ６の中心軸をシリ
ンダ中心軸ＣＬに対して排気弁５側に所定角度θだけ傾
けて点火プラグ６を配設しているのである。

【００３５】また、シリンダヘッド８には、点火プラグ
６取り付けるための点火プラグ取付部２８が形成され、
点火プラグ取付部２８には点火プラグ６の取付位置を規
制するための点火プラグ取付面２７が形成されている
が、この取付面２７も従来の内燃機関に対して所定量Ｄ
１（例えばＤ１＝２ｍｍ）だけ燃焼室３側に近づけて設
けられている。

【００３６】そして、これにより点火プラグ６をキャビ
ティ２５側に近づけるようにしてシリンダヘッド８に取
り付けるようにしているのである。なお、この場合、所
定量Ｄ１だけ点火プラグ６の下部のネジ部が燃焼室３内
に晒されてしまい、このような状態でエンジンを運転さ
せると、この点火プラグ６の下部にカーボン等が付着し
てしまう。そして、点火プラグ６の下部のネジ部にカー
ボン等が付着すると、点火プラグ６がシリンダヘッド８
から取り外すのが困難となり、作業性が低下してしまう
ことが考えられる。

【００３７】そこで、この筒内噴射型内燃機関では、図
１に示すように、点火プラグ６の下部を保護すべく、点
火プラグ取付部２８の下部の周囲に肉盛り部２９が形成
されている。これにより、点火プラグ６の下部へのカー
ボン等の付着を防止して、点火プラグ６の交換時の作業
性や点火プラグ６の耐久性を向上させているのである。
また、このような肉盛り部２９を設けることにより、点
火プラグ６に加わった熱を肉盛り部２９を介してシリン
ダヘッド８に逃がすことができ、点火プラグ６の熱に対
する耐久性が向上するようになっているのである。

【００３８】また、点火プラグ６の電極６ａの長さも通
常の点火プラグに対して所定量だけ長く形成されてお
り、これにより、燃料の着火時に燃料濃度の濃い部分に
電極６ａが位置するようになるのである。なお、点火プ
ラグ６の取付面２７を従来の内燃機関と同様の位置に形
成し、その分点火プラグ６の電極６ａのみをさらに所定
量Ｄ１だけ長く形成して、電極６ａをキャビティ２５内
の燃料濃度の濃い部分へ配設するような構成も考えられ
る。すなわち、電極６ａのみを極端に長くするという構
成のみで、燃料を確実に着火させるのである。この場
合、上述の肉盛り部２９は不要になるが、このように電
極６ａの長さだけを極端に長く形成すると、電極６ａの
耐久性が低下してしまうことが考えられる。

【００３９】これに対して、本発明では、点火プラグ６
の取付面２７を燃焼室３側に近づけるとともに、電極６
ａの長さを長く形成するという２段階の構成で着火部分
をキャビティ２５内に近づけるようにしているので、電
極６ａが確実にキャビティ２５内の燃料濃度の濃い部分
に位置するようにしながらも、点火プラグ６の耐久性を
損なうことがないという利点がある。そして、これによ
り、燃料を確実に着火させることができ、燃焼効率を向
上させることができるのである。

【００４０】また、点火プラグ６の放電電極６ａとキャ
ビティ２５の表面との隙間（図１中Ｄ２で示す）の値に
ついても、エンジンの出力と燃費に影響するため、この
隙間Ｄ２を最適値に設定する必要がある。すなわち、こ
の隙間Ｄ２が大きすぎると、燃焼室３内で形成された吸
気タンブル流に乗った燃料に点火プラグ６の電極６ａが
十分に届かずに、燃焼効率が悪化してしまう。また、放
電電極６ａとキャビティ２５の表面とが近すぎると、電
極６ａとピストン２とが干渉してしまうことが考えられ
る。

【００４１】このため、本筒内噴射型内燃機関では、ピ
ストン２の上死点位置における放電電極６ａとキャビテ
ィ２５の表面との距離Ｄ２を最適値（例えばＤ２＝１〜
２ｍｍ程度）に設定し、ピストン２との干渉を十分に避
けながら高い燃焼効率が得られるようにしている。ま
た、このような筒内噴射型内燃機関では、ピストン２と
排気弁４との近接部分の間隔（これを排気側隙間とい
い、図１中Ｄ３で示す）も機関の性能に大きく影響す
る。例えば、図８のグラフの点Ｃ，点Ｄに示すように、
排気側隙間Ｄ３が大きすぎると、インジェクタ１から圧
縮行程時に噴霧された燃料がキャビティ２５の外側に拡
散してしまい、燃費が悪化してしまう。

【００４２】一方、点Ａ，点Ｂに示すように、排気側隙
間Ｄ３が小さすぎると、全開運転時（即ち、吸気行程の
燃料噴射時）に、排気弁５側の空間に火炎が十分に伝播
されず、出力が低下してしまう。そこで、本発明の筒内
噴射型内燃機関では、この排気側隙間Ｄ３を燃費と出力
との均衡が図れ、効率的な燃焼を実現できるような最適
な値（図８に示す☆印近傍、Ｄ３＝５〜８ｍｍ）に設定
されている。

【００４３】このように、キャビティ２５を球状に形成
するとともに、キャビティ２５と点火プラグ６との位置
関係が最適となるように配設することにより、キャビテ
ィ２５に向けて噴射された燃料を着火時にキャビティ２
５内に滞留させ、吸気と燃料との層状化を促進すること
ができ、さらに、確実な着火，燃焼が行なわれるように
なっているのである。

【００４４】また、図１，図３に示すように、ピストン
２の排気弁側傾斜上面２ｂとシリンダヘッド８の排気弁
側下面８ｂとの間には、着火された火炎が燃焼室３内に
均一に広がるように火炎浸入空間２６が形成されてい
る。ここで、排気弁側傾斜上面２ｂは、排気弁側下面８
ｂよりも小さな傾斜角に設定されており、これにより、
上述の火炎浸入空間２６は、図３に示すように、燃焼室
３の中心側に向けて、互いの面２ｂ，８ｂの距離が広が
るような形状、即ち、断面が略楔状の空間に形成されて
いる。

【００４５】このように、燃焼室３の排気弁４側に略楔
状の火炎浸入空間２６を形成するのは、以下の理由によ
る。即ち、上述したようなキャビティ２５が形成された
筒内噴射型内燃機関の燃焼室３では、通常は排気弁側傾
斜上面２ｂと排気弁側下面８ｂとが略平行になるように
形成されるとともに、これらの面２ｂ，８ｂで形成され
た空間は狭く形成されるため、燃料着火後のこの空間へ
の火炎の伝播は遅れがちになる。そこで、燃焼室３内の
火炎伝播を均一にするには、排気弁側傾斜上面２ｂと排
気弁側下面８ｂとの間の空間を単に広げることが考えら
れるが、上述したように、燃焼室３の全容積（図４のＶ
ａ＋Ｖｂ＋Ｖｃ部分）とキャビティ２５及びその上部空
間の容積（Ｖａ＋Ｖｂ）との間には最適な容積比が存在
している。

【００４６】したがって、燃焼室３の排気弁５側空間を
単純に広げてしまうと、今度はキャビティ２５の容積比
を最適値にするのが困難になってしまい、かえって、機
関の性能低下を招くことも考えられる。そこで、上述し
たように、燃焼室３の排気弁５側の空間に、中心側の隙
間を大きめにしその分だけ排気弁５側端部の隙間を小さ
くした略楔状の火炎浸入空間２６を形成しているのであ
る。

【００４７】このような火炎浸入空間２６によれば、ま
ず、点火プラグ６の電極６ａ近傍を中心に燃焼を開始し
た火炎が、燃焼室３の排気弁５側の空間のうち比較的隙
間の広い燃焼室３の中心側へ確実に燃え広がり、比較的
隙間の狭い燃焼室３の端部側にも、燃焼室３の他の部分
に対して遅れることなく火炎が伝播し、ムラのない均一
な燃焼を実現することができるのである。

【００４８】また、このように燃焼室３の排気弁５側の
空間断面を略楔状に形成することで、燃焼室３の排気弁
５側の空間の容積を変更することもなく、キャビティ比
の設定に何ら影響を与えないという利点も有している。
本発明の第１実施形態として筒内噴射型内燃機関は、上
述のように構成されているので以下の効果を得ることが
できる。

【００４９】まず、このピストン２の吸気弁側傾斜上面
２ａに、図２（ａ）〜（ｃ）に示すような下に凸状に灣
曲した球面状のキャビティ２５を形成することで、出力
や燃費を向上させることができるという利点がある。す
なわち、キャビティ２５の形状を球面状に形成すること
で、ピストン２のキャビティ容積Ｖａに対するキャビテ
ィ表面積を最小にすることができる。これにより、熱損
失を減少させることができができ、燃焼効率を向上させ
ることができるのである。

【００５０】また、キャビティ２５を球面状に形成する
ことで、燃焼室３内に吸気流による渦状の流れ、即ちタ
ンブル流の形成が促進され、層状燃焼を行ない易いとい
う利点もある。さらに、燃焼室３の傾斜下面８ａ，８ｂ
を略平坦に形成することで、タンブル流が形成が強化さ
れるのである。図９はこのような球面状のキャビティ２
５を有するピストン２と他の形状のキャビティを有する
ピストン２とを比較して示すグラフであるが、断面が他
の形状のキャビティの燃費及び最大トルク（図中点Ａ，
点Ｂに示す）に対して、球面状のキャビティ２５を有す
るピストン２では、点Ｃに示すように、燃費及び最大ト
ルクの両方を向上させることができるのである。

【００５１】また、このような球面状のキャビティ２５
を有するピストン２対に加えて、さらに燃焼室３の排気
弁５側の断面形状を略楔状に形成した火炎浸入空間２６
を設けたものでは、点Ｄに示すように、さらに最大トル
クが向上するという利点がある。さらに、図１０に示す
ように、このような略楔状の火炎浸入空間２６を設ける
ことにより、燃料消費率もほぼ全域で低下させることが
できるとともに、ＴＨＣ（トータルでの炭化水素量）の
排出量も低下させることができるという利点も有してい
る。

【００５２】また、本筒内噴射型内燃機関では、点火プ
ラグ６の取付面２７を所定量Ｄ１（例えばＤ１＝２ｍ
ｍ）だけ燃焼室３側に近づけるとともに、点火プラグ６
の放電電極６ａを従来のものよりも所定量長く形成する
という２段階の構成で、電極６ａの着火部分をキャビテ
ィ２５内の燃料濃度の濃い部分に位置するようにしてい
るので、燃料を確実に着火させることができるようしな
がらも、点火プラグ６の電極６ａの耐久性を損なうこと
がないという利点がある。

【００５３】さらに、このような点火プラグ６では、従
来の点火プラグに対して電極６ａ部を所定量長めに形成
するだけでよいので、低コストで実現できるという利点
もある。また、シリンダヘッド８の燃焼室３の形成面に
おいて、点火プラグ６の取付部２８の周囲に肉盛り部２
９が設けられているので、点火プラグ６の下端が所定量
Ｄ１だけ燃焼室３側に移動しても、この点火プラグ６の
下端部が直接燃焼室３に晒されることがない。

【００５４】したがって、点火プラグ６の下部のネジ部
へのカーボン等の付着が防止され、点火プラグ６の交換
等の作業性も向上する。また、点火プラグ６の下部が、
肉盛り部２９により保護されるので、点火プラグ６自体
の耐久性も向上するという利点がある。さらには、点火
プラグ６に加わる熱を肉盛り部２９を介してシリンダヘ
ッド８に逃がすことができるので、熱に対する耐久性も
向上するという利点を有している。

【００５５】一方、ピストン２のキャビティ２５を、ピ
ストン２の頂点及びピストン２の吸気弁側傾斜上面２ａ
の下端を仮想球面内２５ａに包含するように形成するこ
とで、点火プラグ６をキャビティ２５内に配設しやすく
なる。また、タンブル流の生成も促進することができる
という利点もある。また、ピストン２が上死点位置に達
した時に、インジェクタ１の噴射口と吸気弁４の弁体と
がそれぞれ仮想球面２５ａ内に位置するようにインジェ
クタ１，吸気弁４及び仮想球面２５ａの位置関係が設定
されているので、キャビティ２５内に燃料濃度の濃い混
合気を生成することができるのである。

【００５６】また、キャビティ２５の容積Ｖａ及びピス
トン２が上死点位置にあるときの吸気弁側傾斜下面８ａ
と吸気弁側傾斜上面２ａとの間の容積Ｖｂと、燃焼室３
全体の容積Ｖａ＋Ｖｂ＋Ｖｃとの容積比が、最適な値、
例えば、（Ｖａ＋Ｖｂ）／（Ｖａ＋Ｖｂ＋Ｖｃ）＝０．
４〜０．６の間の値となるように設定されているので、
燃費の向上と出力の向上とをバランス良く達成すること
ができるという利点がある。

【００５７】すなわち、図５（ａ），（ｂ）に示すよう
に、このキャビティ容積比が大きすぎると最大トルクや
最高出力が低下してしまい、また、キャビティ容積比が
小さすぎると燃費が低下してしまうが、上述したよう
に、キャビティ容積比を最適な値に設定することによ
り、燃費向上と出力向上とを両立することができるので
ある。

【００５８】さらに、図８のグラフに☆印で示すよう
に、排気側隙間Ｄ３が最適値（Ｄ３＝５〜８ｍｍ）に設
定されることにより、熱効率の高い燃焼状態を実現する
ことができ、やはり、最高出力を向上させることができ
るという利点がある。また、点火プラグ６の放電電極６
ａとキャビティ２５の表面との隙間Ｄ２を最適値（例え
ばＤ２＝１〜２ｍｍ程度）に設定することにより、点火
プラグ６のピストン２との干渉を十分に避けながら高い
燃焼効率が得られるという利点を有している。

【００５９】また、シリンダヘッド８の下面をペントル
ーフ形状に形成することで、圧縮行程時にも強い縦渦流
を維持することができ、圧縮行程時の燃料噴射を安定し
て行なうことができるという利点がある。さらに、吸気
弁側傾斜上面２ａ及び排気弁側傾斜上面２ｂがピストン
頂面の稜線により区画されて形成されているので、燃焼
室３の形状が、吸気弁側傾斜下面８ａと排気弁側傾斜下
面８ｂとでそれぞれ異なる形状とすることができ、吸気
弁４側と排気弁５側とで燃焼室３の役割を分担させるこ
とができる。

【００６０】次に、本第１実施形態としての筒内噴射型
内燃機関の第１〜第３の各変形例について説明すると、
図６，図７，図２３〜図３０は、その第１の変形例を示
す図であり、上述の第１実施形態に対して、凹部２５の
形状のみが異なっている。すなわち、この第１の変形例
では、凹部２５の形状が、図６（ａ）〜（ｃ）や図７
（ａ）〜（ｃ）に示すような、断面が略長方形のキャビ
ティ２５Ａ，２５Ｂとして形成されている。

【００６１】これらのキャビティ２５Ａ，２５Ｂを有す
るピストン２について簡単に説明すると、ピストン頂面
の吸気弁４側の外周端部４０には、ピストン２の運動方
向に対して垂直な平坦部４１が形成されている。また、
キャビティ２５Ａ，２５Ｂには、吸気流をキャビティ２
５Ａ，２５Ｂ内に案内する流入部４２と、キャビティ２
５Ａ，２５Ｂ内に流入した吸気流を点火プラグ６近傍に
向かうように案内する隆起部４３と、流入部４２と隆起
部４３とを接続し、略平坦面に形成された接続部４４と
から構成されている。

【００６２】これにより、吸気流は、平坦部４１からキ
ャビティ２５Ａ，２５Ｂの底面（接続部）４４までの間
になだらかに形成された流入部４２を介して流入し、そ
の後、隆起部４３で向きを上方に変えて点火プラグ６近
傍に向かっていき、これによりタンブル流が形成される
のである。したがって、このようなキャビティ２５Ａ，
２５Ｂを有する筒内噴射型内燃機関であっても、従来の
筒内噴射型内燃機関に対して、燃費や出力の面で優れる
という利点を有しているのである。

【００６３】また、図３１〜図３８は、本第１実施形態
としての筒内噴射型内燃機関における第２の変形例を示
す図であり、上述の第１実施形態の構成に対して、点火
プラグ近傍の空間を確保するための凹所がピストンのキ
ャビティ２５に隣接して形成されているという点のみが
異なって構成されたものである。また、図３９〜図４６
は、本第１実施形態としての筒内噴射型内燃機関におけ
る第３の変形例を示す図であり、ピストン２の排気弁側
傾斜上面２ｂに、ピストンと排気弁とのクリアランスを
確保するための凹所がキャビティ２５とは別に形成され
たものである。

【００６４】このような、第２，第３の変形例のように
構成されたピストンを有する筒内噴射型内燃機関であっ
ても、上述した第１の変形例と同様に、従来の筒内噴射
型内燃機関に対して、燃費や出力の面で優れるという利
点を有している。次に、本発明の第２実施形態としての
筒内噴射型内燃機関について説明すると、図１１，図４
７〜５４はその要部としてのピストンを示す模式図であ
る。なお、この第２実施形態では、第１実施形態に対し
て、ピストン２の凹部の形状のみが異なって形成された
ものであり、これ以外の構成は上述した第１実施形態と
共通である。

【００６５】図１１（ａ）〜（ｃ）に示すように、ピス
トン２の吸気弁４側頂面には、下に凸状に灣曲したキャ
ビティ２５Ｃが形成されている。このキャビティ２５Ｃ
は、図１１（ｃ）に示すように、吸気弁４側の上部に互
いに中心が隣接した２つの仮想球面２５ｂ，２５ｃと、
これらの２つの球面２５ｂ，２５ｃ間を滑らかに接続す
る接続面２５ｄとから形成されている。

【００６６】これらの仮想球面２５ｂ，２５ｃの中心
は、図１１（ａ）に示すように、ピストンピン３０の配
設方向に直交する軸線に対して、それぞれ同じ距離だけ
互いに逆方向にオフセットされた位置に設定されてい
る。また、この接続面２５ｄは、２つの球面２５ｂ，２
５ｃの低部を接続する円筒面として形成されている。し
たがって、燃焼室３の断面形状としては、上記第１実施
形態と略同様のものとなる。

【００６７】そして、このようなキャビティ２５Ｃによ
れば、ピストン２のキャビティ容積を大きくすることが
できるとともにキャビティ容積に対するキャビティ表面
積を比較的小さく形成することができる。したがって、
燃損失の低下をほとんど招くことがなく、即ち出力特性
をほとんど低下させることなく、燃費を向上させること
ができるようになるのである。

【００６８】また、キャビティ２５Ｃの形状が略球面状
に形成されることにより、燃焼室３内に吸気流による渦
状の流れ、即ちタンブル流の形成が促進されるという利
点もある。本発明の第２実施形態としての筒内噴射型内
燃機関は、上述のように構成されているので、吸気弁４
を介して燃焼室３内に流入した吸気流は、ピストン２に
形成されたキャビティ２５Ｃに案内されて、タンブル流
を形成するとともに、このタンブル流に燃料を噴射する
ことで層状の混合気が形成される。

【００６９】ここで、キャビティ２５Ｃを形成する２つ
の２つの仮想球面２５ｂ，２５ｃは、ピストンピン３０
の配設方向に沿って隣接しているので、吸気流の流入す
る方向、即ちタンブル流を形成する方向には、球面状の
キャビティとして形成されることになる〔図１１（ｂ）
参照〕。したがって、第１実施形態と同様に層状燃焼を
行なうことができる。

【００７０】また、上述したキャビティ２５Ｃでは、ピ
ストン２のキャビティ容積を大きくしながらもキャビテ
ィ表面積を比較的小さく形成することができるので、出
力特性をほとんど低下させることなく、燃費を向上させ
ることができるという利点がある。なお、上述の接続面
２５ｄとしては、円筒面に限定されるものではなく、２
つの球面２５ｂ，２５ｃ間を滑らかに接続することがで
きれば、他の形状の面であってもよい。

【００７１】次に、本発明の第３実施形態としての筒内
噴射型内燃機関について説明すると、図１２はその燃焼
室の構成を示す模式的な断面図である。本実施形態で
は、図１２に示すように、基本的には、第１実施形態と
同様に構成されている。すなわち、燃焼室３の上面はシ
リンダヘッド８の下面によりペントルーフ形状に形成さ
れ、ピストン２の頂面もシリンダヘッド８のペントルー
フ形状に対応した山型に形成されている。また、ピスト
ン２には球面形状に形成されたキャビティ２５が設けら
れている。

【００７２】インジェクタ１の噴射孔は、直接燃焼室３
内に臨んで設けられており、燃料は燃焼室３内に直接噴
射されるようになっている。また、インジェクタ１は、
例えば図示しないコントローラにより制御され、インジ
ェクタ１から適切なタイミングで燃料が適量噴射される
ようになっている。そして、この燃料は、ピストン２の
キャビティ２５に向けて噴射され、吸気弁４の上方に略
直立して設けられた吸気ポート９から吸気された空気と
上記燃料とが燃焼室３内で混合して混合気が生成され
る。その後、混合気は、燃焼室３内で点火プラグ６によ
り着火され、膨張（爆発）した後、排気ポート１０から
排出される。なお、図中に示す符号のうち７はシリンダ
ブロック、８はシリンダヘッドである。

【００７３】一方、この第３実施形態では、点火プラグ
６の取り付け位置や突出量の設定及びキャビティ容積比
の設定等の数値は厳密には規定されておらず、この点が
第１実施形態と異なっている。したがって、エンジンの
組み立て時や部品製造時の寸法管理を、第１実施形態や
第２実施形態に対して容易なものとすることができると
いう利点がある。すなわち、燃焼室３の形状を厳密に規
定しないため、エンジンを構成する部品、特に燃焼室形
状に関わる部品の寸法管理が容易になるとともに、エン
ジン組み立て時の組み立て精度の管理も容易となるので
ある。

【００７４】ところで、このように厳密に燃焼室３の形
状を規定しなかった場合であっても、ピストン２の凹部
２５を球面状とし、ピストン２の頂面をペントルーフ型
とすることで以下のような作用，効果がある。すなわ
ち、吸気弁４の上方に略直立して延設された吸気ポート
９を介して吸気流が燃焼室３に取り入れられると、吸気
流は下方のピストン２に向かって流れた後、球面状のキ
ャビティ２５に沿って上向きに案内されてタンブル流
（縦渦流）が形成される。そして、このタンブル流に燃
料を噴射することで層状の混合気が形成されるのであ
る。

【００７５】また、ピストン２の頂面をシリンダヘッド
８のペントルーフ形状にほぼ沿うような山型に形成形成
することで、ピストン２の上昇時に、ピストン２とシリ
ンダヘッド８とで囲撓される空間を減少させることがで
きる。これにより、エンジンの圧縮比を大きくすること
ができ、エンジン出力を大きく向上させることができる
のである。

【００７６】したがって、低燃費と高出力との相反する
要素を高いレベルで成立させながらも、製造コストを低
減することができるのである。次に、本発明の第４実施
形態としての筒内噴射型内燃機関について説明すると、
図１３はその要部としての燃焼室形状を示す模式的な断
面図、図１４はその要部としてのピストンを示す模式的
な平面図である。

【００７７】この第４実施形態では、上述した第１実施
形態と略同様に燃焼室３が構成されており、以下の構成
のみが異なっている。すなわち、この第４実施形態で
は、図１３に示すように、吸気弁４側と排気弁５側とで
は、ピストン２の頂面からシリンダヘッド８の下面まで
の隙間の間隔が異なっており、吸気弁４側の隙間ａの方
が排気弁５側の隙間ｂよりも大きくなるように設定され
ているのである。

【００７８】これらの隙間ａと隙間ｂとの差はあまり大
きなものではなく、第１実施形態で説明した容積比に対
して大きな影響を与えるものではない。つまり、キャビ
ティ２５の容積をＶａ、ピストン２が上死点位置にある
ときの吸気弁側傾斜下面８ａと吸気弁側傾斜上面２ａと
の間の容積をＶｂ、又ピストン２が上死点位置にあると
きの排気弁側傾斜下面２ｂと排気弁側傾斜上面２ｂとの
間の容積をＶｃとすると、（Ｖａ＋Ｖｂ）／（Ｖａ＋Ｖ
ｂ＋Ｖｃ）の値は、第１実施形態と同様に、０．４〜
０．６の間になるように設定されている。

【００７９】また、キャビティ２５の形状はやはり球面
状に形成されている。これは、第１実施形態でも説明し
たように、キャビティ２５を球面形状に形成すること
で、ピストン２のキャビティ容積Ｖａに対するキャビテ
ィ表面積を最小にすることができるからである。そし
て、キャビティ表面積を最小にすることで、熱損失を小
さくすることができ、燃焼効率を向上させることができ
るのである。

【００８０】さて、ここで、吸気弁４側の隙間ａが排気
弁５側の隙間ｂよりも大きく設定されている理由につい
て説明する。すなわち、上記第１実施形態でも詳述した
ように、燃焼室３の表面積が小さくなる程熱損失が小さ
くなり、燃焼効率を向上させることができるので、燃焼
室３の容積や圧縮比を変更することなく、燃焼室３の表
面積を小さくしたい。

【００８１】しかしながら、すでに説明したように、筒
内噴射型内燃機関では、ピストン２及び燃焼室３の形状
や容積、また、点火プラグ６の配設位置により、機関の
出力特性や燃費性能が大きく変化してしまい、第１実施
形態の燃焼室形状を大きく変更すると出力特性と燃費性
能とのバランスを損なってしまうおそれがある。そこ
で、上記第１実施形態で説明したような燃焼室３の形状
をほとんど変更せずに表面積を減少させるべく、ピスト
ン２の吸気弁側上面２ａを、上記第１実施形態で説明し
たものに比べて吸気弁４から遠ざけ、排気弁側傾斜上面
２ｂを上記第１実施形態で説明したものに比べて僅かに
排気弁５に近づけるように構成されている。つまり、燃
焼室３内において、吸気弁隙間ａと排気弁側隙間ｂとの
間でａ＞ｂの関係が成立するように設定されているので
ある。

【００８２】このような構成によれば、ピストン２にお
ける排気弁側上面２ｂの表面積はほとんど変化しない
が、吸気弁側上面２ａでは、排気弁側上面２ｂの表面積
の変化よりも大きな割合で表面積が減少することにな
る。これは、図１４に示すように、キャビティ２５の大
部分がピストン２の吸気弁側に設けられているからであ
り、このため、ピストン２の吸気弁側上面２ａを下方に
移動すると、この分だけキャビティ２５の表面積（特に
吸気弁側上面２ａに対して縦方向の表面積）も減少する
ことになるからである。つまり、吸気弁側上面２ａと排
気弁側上面２ｂとでは、上下方向に面を移動したときに
変化する表面積が、吸気弁側上面２ａの方が多いのであ
る。

【００８３】また、ピストン２の吸気弁側上面２ａの表
面積のうちのシリンダヘッド下面に対向する面積（図１
４の面積Ｓ₁ 参照）と、排気弁側上面２ｂの表面積のう
ちのシリンダヘッド下面に対向する面積（図１４の面積
Ｓ₂ 参照）とでは、キャビティ２５の存在する分だけ吸
気弁側上面２ａの方が小さいので、第１実施形態のもの
と同等の圧縮比を確保しながら、吸気弁隙間ａと排気弁
側隙間ｂとを変更するためには、吸気弁側上面２ａの吸
気弁４から遠ざける量を、排気弁側傾斜上面２ｂを排気
弁５に近づける量よりも大きくする必要がある。したが
って、このような構成からも、吸気弁側上面２ａの全体
の表面積の減少する量が、排気弁側上面２ｂの表面積増
加量よりもさらに大きくなるのである。なお、このよう
な構成で第１実施形態のものと同等の圧縮比を確保しよ
うとすると、吸気弁側上面２ａを吸気弁４から遠ざける
量は、排気弁側上面２ｂを排気弁５に近づける量の約２
倍程度となる。

【００８４】このようにして、吸気弁隙間ａを排気弁側
隙間ｂよりも大きくなるように設定することで、燃焼室
３の表面積をさらに減少させることができ、熱損失を小
さくすることができ、燃焼効率を向上させることができ
るのである。なお、図１３及び図１４における２点鎖線
は、第１実施形態に相当するピストン２の頂面形状であ
る。

【００８５】本発明の第４実施形態としての筒内噴射型
内燃機関は、上述のように構成されているので、上記第
１実施例と同様な作用及び効果があるほか、以下のよう
な作用，効果を有する。すなわち、吸気弁隙間ａが排気
弁側隙間ｂよりも大きくなるように設定することで、燃
焼室３の表面積をさらに減少させることができ、熱損失
を小さくすることができ、燃焼効率を向上させることが
できるのである。なお、このような構成により、第１実
施形態の燃効率に対して、本第４実施形態では、例えば
約２％程度上昇する。

【００８６】また、このようなピストン２の形状、すな
わち、吸気弁隙間ａと排気弁側隙間ｂとの間でａ＞ｂと
なるような燃焼室３形状を、上記第２実施形態に適用し
てもよい。そして、このように第２実施形態を構成した
場合も、やはり上述のように燃焼室３の表面積を減少さ
せることができ、熱損失を小さくすることができる。そ
して、これにより燃焼効率を向上させることができると
いう利点がある。

【００８７】そして、この場合は、吸気弁側上面２ａの
シリンダヘッド下面に対向する面積が、第１実施形態の
ものに比べてさらに小さいので、吸気弁側上面２ａを吸
気弁４から遠ざける量を、第１実施形態のピストン２よ
りも大きくすることができ、熱損失を小さくする効果が
さらに顕著なものとなる。

【００８８】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１記載の本
発明の筒内噴射型内燃機関によれば、シリンダヘッドの
下面とピストンの頂面とで上下を区画される燃焼室と、
該燃焼室の上面の一側に配設された吸気弁と、該燃焼室
の上面の他側に配設された排気弁と、該燃焼室内に直接
燃料を噴射するように配設された燃料噴射弁とをそなえ
た、筒内噴射型内燃機関において、該燃焼室の上面を形
成する該シリンダヘッド下面が、該一側に形成された吸
気弁側傾斜下面と該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、点火プラグが
該ペントルーフ形状の該燃焼室上面の頂部近傍に配設さ
れるとともに、該燃焼室の下面を形成する該ピストン頂
面が、該吸気弁側傾斜下面及び該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該ペントルーフ形状にほぼ沿
うような山型に形成され、少なくとも該ピストン頂面の
吸気弁側傾斜上面に凹部が設けられ、該ピストンが上死
点位置にあるときの燃焼室容積のうち、該凹部内の容積
及び該凹部の上方の該ピストン上面と該シリンダヘッド
下面との間の容積と、該ピストンが上死点位置にあると
きの該燃焼室の全容積との比が０．４〜０．６の間に設
定されるという構成により、全容積に対する凹部容積を
層状燃焼を行なうのに適した設定とすることができ、且
つ燃焼室の表面積の増大を極力回避できる。これによ
り、燃費が向上するとともに、熱損失の増大を回避して
最高出力や最大トルクが向上して、筒内噴射型内燃機関
における機関の出力性能と燃費性能とを両立することが
できる利点がある。

【００８９】また、請求項２記載の本発明の筒内噴射型
内燃機関によれば、上記請求項１記載の構成に加えて、
少なくとも該ピストン頂面の上記一側の外周端部には平
坦部が形成され、該凹部は、該平坦部よりなだらかに形
成され燃焼室内に導入された吸気流が該凹部に流入する
際の流入部と、該凹部内に流入した吸気流を上記点火プ
ラグ近傍に向かうよう案内するなだらかに隆起した隆起
部と、該流入部と該隆起部とを接続する接続部とから構
成されているので、燃焼室内で確実に縦渦流（タンブル
流）を形成することができるという利点がある。

【００９０】また、請求項３記載の本発明の筒内噴射型
内燃機関によれば、上記請求項１記載の構成に加えて、
該燃焼室の上面を形成する該吸気弁側傾斜下面と該排気
弁側傾斜下面とが、それぞれ略平坦に形成されていると
いう構成により、燃焼室内で発生する縦渦流の形成を促
進することができ、縦渦流を強化させることができると
いう利点がある。これにより、さらに安定した層状燃焼
を行なうことができるという利点がある。

【００９１】また、請求項４記載の本発明の筒内噴射型
内燃機関によれば、上記請求項１記載の構成に加えて、
該ピストンの該排気弁側傾斜上面が、該シリンダヘッド
の該排気弁側下面よりも小さな傾斜角に設定され、該シ
リンダヘッドの該排気弁側傾斜下面と該ピストンの該排
気弁側傾斜上面とにより該燃焼室の中心側に向けて相互
間距離が広がるように形成され、該ピストンの上死点位
置において、断面が略楔状となる火炎浸入空間が形成さ
れているという構成により、燃焼室内で均一に火炎を伝
播させることができ、ムラのない燃焼を実現することが
できるという利点がある。また、燃焼室の排気弁側の空
間の容積を変更することもなく、凹部の容積比の設定に
何ら影響を与えないという利点も有している。

【００９２】また、請求項５記載の本発明の筒内噴射型
内燃機関によれば、上記請求項１記載の構成に加えて、
該ピストンが上死点にあるとき、該ピストンと該排気弁
との近接部分の間隔が、該ピストンと該吸気弁との近接
部分の間隔よりも小さくなるように配設されているとい
う構成により、燃焼室全体の容積比をほとんど変更する
ことなく、燃焼室内の表面積を低減することができるの
で、熱損失が低減する。これにより燃焼効率が向上し、
高出力と高燃費とを高い次元で両立させることができる
という利点がある。

【００９３】また、請求項６記載の本発明の筒内噴射型
内燃機関によれば、上記請求項１記載の構成に加えて、
該凹部が、球面により形成されているという構成によ
り、ピストンの凹部の容積に対する凹部の表面積を最小
にすることができる。また、これにより、熱損失を減少
させることができ、燃焼効率を向上させることができる
という利点がある。さらに、凹部を球面状に形成するこ
とで、燃焼室内において吸気流による渦状の流れ、即ち
タンブル流の形成が促進され、層状燃焼を行ないやすく
なるという利点もある。

【００９４】また、請求項７記載の本発明の筒内噴射型
内燃機関によれば、上記請求項６記載の構成に加えて、
該凹部が、該ピストンの吸気弁側上部に中心を有する仮
想球面の一部として形成され、該ピストンの頂点及び該
ピストンの吸気弁側傾斜上面の下端が、該仮想球面内に
包含されるという構成により、点火プラグを凹部内に配
設しやすくなるという利点がある。また、タンブル流の
生成も促進することができるという利点もある。

【００９５】また、請求項８記載の本発明の筒内噴射型
内燃機関によれば、上記請求項６記載の構成に加えて、
該ピストンが上死点位置にあるとき、該燃料噴射弁の噴
射口と該吸気弁の弁体とがそれぞれ該仮想球面内に包含
され、且つ点火プラグの放電電極の発火点が該凹部内に
包含されるというにより、凹部に燃料濃度の濃い混合気
を生成することができるという利点がある。そして、こ
れにより燃焼効率を高めることができるという利点があ
る。

【００９６】また、請求項９記載の本発明の筒内噴射型
内燃機関によれば、上記請求項１記載の構成に加えて、
該ピストン頂面に、該吸気弁側傾斜上面及び該排気弁側
傾斜上面を区画する稜線が形成され、さらに、該凹部が
該稜線を越え且つ該吸気弁側傾斜上面から該排気弁側傾
斜上面にまで延びて形成されているという構成により、
燃焼室内の凹部の容積と燃焼室全体の容積との比を最適
に設定するのが容易となり、高燃費と高出力とを両立す
ることができるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内燃
機関における燃焼室の構成を示す模式的な断面図であ
る。

【図２】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内燃
機関における要部としてのピストンの形状を示す模式図
であって、（ａ）はその上面図、（ｂ）はその正面図、
（ｃ）は（ｂ）におけるＡ１−Ａ１断面図である。

【図３】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内燃
機関におけるピストンの頂面とシリンダヘッドの下面と
の相対的な位置関係を示す図である。

【図４】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内燃
機関における燃焼室の全容積とピストンの凹部の容積と
の比を説明するための模式図である。

【図５】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内燃
機関におけるピストンの凹部形状の容積比の変化に伴う
機関の特性の変化を説明するためのグラフである。

【図６】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内燃
機関におけるピストンの凹部形状の他の例を示すための
ピストンの模式図であって、（ａ）はその上面図、
（ｂ）はその正面図、（ｃ）は（ｂ）におけるＡ３−Ａ
３断面図である。

【図７】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内燃
機関におけるピストンの凹部形状の他の例を示すための
ピストンの模式図であって、（ａ）はその上面図、
（ｂ）はその正面図、（ｃ）は（ｂ）におけるＡ４−Ａ
４断面図である。

【図８】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内燃
機関における作用を説明するためのグラフである。

【図９】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内燃
機関における作用を説明するためのグラフである。

【図１０】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関における燃焼室の形状の差による燃費及びＨＣ排
出量の変化特性を示すグラフである。

【図１１】本発明の第２実施形態としての筒内噴射型内
燃機関における要部としてのピストンの形状を示す模式
図であって、（ａ）はその上面図、（ｂ）はその正面
図、（ｃ）は（ｂ）におけるＡ２−Ａ２断面図である。

【図１２】本発明の第３実施形態としての筒内噴射型内
燃機関における燃焼室の構成を示す模式的な断面図であ
る。

【図１３】本発明の第４実施形態としての筒内噴射型内
燃機関における燃焼室の構成を示す模式的な断面図であ
る。

【図１４】本発明の第４実施形態としての筒内噴射型内
燃機関におけるピストンの形状を示す模式的な平面図で
ある。

【図１５】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関におけるピストン形状を示す平面図である。

【図１６】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関におけるピストン形状を示す正面図である。

【図１７】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関におけるピストン形状を示す底面図である。

【図１８】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関におけるピストン形状を示す左側面図である。

【図１９】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関におけるピストン形状を示す右側面図である。

【図２０】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関におけるピストン形状を示す背面図であって、図
１６に示す正面図と対称に表れる図である。

【図２１】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関におけるピストン形状を示す断面図であって、図
１９に示す右側面図におけるＡ−Ａ断面図である。

【図２２】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関におけるピストン形状を示す断面図であって、図
１６に示す正面図におけるＢ−Ｂ断面図である。

【図２３】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関における第１の変形例のピストン形状を示す平面
図である。

【図２４】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関における第１の変形例のピストン形状を示す正面
図である。

【図２５】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関における第１の変形例のピストン形状を示す底面
図である。

【図２６】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関における第１の変形例のピストン形状を示す左側
面図である。

【図２７】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関における第１の変形例のピストン形状を示す右側
面図である。

【図２８】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関における第１の変形例のピストン形状を示す背面
図であって、この背面図は図２４に示す正面図と対称に
表れる図である。

【図２９】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関における第１の変形例のピストン形状を示す断面
図であって、図２７に示す右側面図におけるＡ−Ａ断面
図である。

【図３０】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関における第２の変形例のピストン形状を示す断面
図であって、図２４に示す正面図におけるＢ−Ｂ断面図
である。

【図３１】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関における第２の変形例のピストン形状を示す平面
図である。

【図３２】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関における第２の変形例のピストン形状を示す正面
図である。

【図３３】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関における第２の変形例のピストン形状を示す底面
図である。

【図３４】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関における第２の変形例のピストン形状を示す左側
面図である。

【図３５】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関における第２の変形例のピストン形状を示す右側
面図である。

【図３６】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関における第２の変形例のピストン形状を示す背面
図であって、この背面図は図３２に示す正面図と対称に
表れる図である。

【図３７】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関における第２の変形例のピストン形状を示す断面
図であって、図３５に示す右側面図におけるＡ−Ａ断面
図である。

【図３８】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関における第２の変形例のピストン形状を示す断面
図であって、図３２に示す正面図におけるＢ−Ｂ断面図
である。

【図３９】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関における第３の変形例のピストン形状を示す平面
図である。

【図４０】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関における第３の変形例のピストン形状を示す正面
図である。

【図４１】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関における第３の変形例のピストン形状を示す底面
図である。

【図４２】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関における第３の変形例のピストン形状を示す左側
面図である。

【図４３】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関における第３の変形例のピストン形状を示す右側
面図である。

【図４４】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関における第３の変形例のピストン形状を示す背面
図であって、この背面図は図４０に示す正面図と対称に
表れる図である。

【図４５】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関における第３の変形例のピストン形状を示す断面
図であって、図４３に示す右側面図におけるＡ−Ａ断面
図である。

【図４６】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内
燃機関における第３の変形例のピストン形状を示す断面
図であって、図４０に示す正面図におけるＢ−Ｂ断面図
である。

【図４７】本発明の第２実施形態としての筒内噴射型内
燃機関におけるピストン形状を示す平面図である。

【図４８】本発明の第２実施形態としての筒内噴射型内
燃機関におけるピストン形状を示す正面図である。

【図４９】本発明の第２実施形態としての筒内噴射型内
燃機関におけるピストン形状を示す底面図である。

【図５０】本発明の第２実施形態としての筒内噴射型内
燃機関におけるピストン形状を示す左側面図である。

【図５１】本発明の第２実施形態としての筒内噴射型内
燃機関におけるピストン形状を示す右側面図である。

【図５２】本発明の第２実施形態としての筒内噴射型内
燃機関におけるピストン形状を示す背面図であって、図
４８に示す正面図と対称に表れる図である。

【図５３】本発明の第２実施形態としての筒内噴射型内
燃機関におけるピストン形状を示す断面図であって、図
５１に示す右側面図におけるＡ−Ａ断面図である。

【図５４】本発明の第２実施形態としての筒内噴射型内
燃機関におけるピストン形状を示す断面図であって、図
４８に示す正面図におけるＢ−Ｂ断面図である。

【符号の説明】

１燃料噴射弁又はインジェクタ２ピストン２ａ吸気弁側傾斜上面２ｂ排気弁側傾斜上面３燃焼室４吸気弁５排気弁６点火プラグ６ａ放電電極７シリンダブロック８シリンダヘッド８ａ吸気弁側傾斜下面８ｂ排気弁側傾斜下面９吸気ポート１０排気ポート２５，２５Ａ〜２５Ｃ凹部又はキャビティ２５ａ〜２５ｃ仮想球面２５ｄ接続面２６火炎浸入空間２７点火プラグ取付面２８点火プラグ取付部２９肉盛り部３０ピストンピン４０外周端部４１平坦部４２流入部４３隆起部４４接続部（底面）ＣＬシリンダ中心軸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者五島賢司東京都港区芝五丁目33番８号三菱自動車工業株式会社内 (72)発明者川辺敬東京都港区芝五丁目33番８号三菱自動車工業株式会社内 (72)発明者上田克則東京都港区芝五丁目33番８号三菱自動車工業株式会社内 (72)発明者村上信明東京都港区芝五丁目33番８号三菱自動車工業株式会社内 (72)発明者織田英幸東京都港区芝五丁目33番８号三菱自動車工業株式会社内 (72)発明者五十嵐京矢東京都港区芝五丁目33番８号三菱自動車工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリンダヘッドの下面とピストンの頂面
とで上下を区画される燃焼室と、該燃焼室の上面の一側
に配設された吸気弁と、該燃焼室の上面の他側に配設さ
れた排気弁と、該燃焼室内に直接燃料を噴射するように
配設された燃料噴射弁とをそなえた、筒内噴射型内燃機
関において、該燃焼室の上面を形成する該シリンダヘッド下面が、該
一側に形成された吸気弁側傾斜下面と該他側に形成され
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、点火プラグが該ペントルーフ形状の該燃焼室上面の頂部
近傍に配設されるとともに、該燃焼室の下面を形成する該ピストン頂面が、該吸気弁
側傾斜下面及び該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
面を有する該ペントルーフ形状にほぼ沿うような山型に
形成され、少なくとも該ピストン頂面の吸気弁側傾斜上
面に凹部が設けられ、該ピストンが上死点位置にあるときの燃焼室容積のう
ち、該凹部内の容積及び該凹部の上方の該ピストン上面と該
シリンダヘッド下面との間の容積と、該ピストンが上死点位置にあるときの該燃焼室の全容積
との比が０．４〜０．６の間に設定されていることを特
徴とする、筒内噴射型内燃機関。
【請求項２】少なくとも該ピストン頂面の上記一側の
外周端部には平坦部が形成され、該凹部は、該平坦部よ
りなだらかに形成され燃焼室内に導入された吸気流が該
凹部に流入する際の流入部と、該凹部内に流入した吸気
流を上記点火プラグ近傍に向かうよう案内するなだらか
に隆起した隆起部と、該流入部と該隆起部とを接続する
接続部とから構成されていることを特徴とする、請求項
１記載の筒内噴射型内燃機関。
【請求項３】該燃焼室の上面を形成する該吸気弁側傾
斜下面と該排気弁側傾斜下面とが、それぞれ略平坦に形
成されていることを特徴とする、請求項１記載の筒内噴
射型内燃機関。
【請求項４】該ピストンの該排気弁側傾斜上面が、該
シリンダヘッドの該排気弁側下面よりも小さな傾斜角に
設定され、該シリンダヘッドの該排気弁側傾斜下面と該ピストンの
該排気弁側傾斜上面とにより該燃焼室の中心側に向けて
相互間距離が広がるように形成され、該ピストンの上死
点位置において、断面が略楔状となる火炎浸入空間が形
成されていることを特徴とする、請求項１記載の筒内噴
射型内燃機関。
【請求項５】該ピストンが上死点にあるとき、該ピス
トンと該排気弁との近接部分の間隔が、該ピストンと該
吸気弁との近接部分の間隔よりも小さくなるように配設
されていることを特徴とする、請求項１記載の筒内噴射
型内燃機関。
【請求項６】該凹部が、球面により形成されているこ
とを特徴とする、請求項１記載の筒内噴射型内燃機関。
【請求項７】該凹部が、該ピストンの吸気弁側上部に
中心を有する仮想球面の一部として形成され、該ピスト
ンの頂点及び該ピストンの吸気弁側傾斜上面の下端が、
該仮想球面内に包含されるように構成されていることを
特徴とする、請求項６記載の筒内噴射型内燃機関。
【請求項８】該ピストンが上死点位置にあるとき、該
燃料噴射弁の噴射口と該吸気弁の弁体とがそれぞれ該仮
想球面内に包含され、且つ点火プラグの放電電極の発火
点が該凹部内に包含されるように構成されていることを
特徴とする、請求項６記載の筒内噴射型内燃機関。
【請求項９】該ピストン頂面に、該吸気弁側傾斜上面
及び該排気弁側傾斜上面を区画する稜線が形成され、さ
らに、該凹部が該稜線を越え且つ該吸気弁側傾斜上面か
ら該排気弁側傾斜上面にまで延びて形成されていること
を特徴とする、請求項１記載の筒内噴射型内燃機関。