JPH11193721A

JPH11193721A - 筒内噴射式火花点火機関

Info

Publication number: JPH11193721A
Application number: JP10105774A
Authority: JP
Inventors: Naohisa Nishino; 直久西野; Kazuaki Nishino; 和彰西野; Hiroshi Kawahara; 博川原; Yoshihiro Shimizu; 吉広清水; Taku Saito; 卓斎藤; Masao Matsui; 正夫松居; Makoto Koike; 誠小池; Akinori Saito; 昭則斎藤
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1997-10-30
Filing date: 1998-03-31
Publication date: 1999-07-21

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料衝突部の昇温効率を高めてピストンに衝
突する燃料の蒸発を促進して、ピストン頂面への燃料の
付着を減少してデポジットやスモーク排出を抑止するこ
と。【解決手段】ピストン頂面、シリンダヘッド下面、シ
リンダ内面で囲まれる燃焼室内にノズル先端が臨むよう
に配置された燃焼噴射弁からピストン頂面に向けて燃料
を噴射する筒内噴射式内燃機関において、ピストン頂面
上の一部分である、燃料が液体で衝突する燃料衝突部を
含み、かつ、主たる燃焼領域を含む領域が、低熱伝導率
かつ低比熱の部材または構造体により構成されていると
ともに、熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以下で、かつ比熱が１
ｋＪ／ｋｇＫ以下に設定されている筒内噴射式火花点火
機関。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ピストン、シリン
ダヘッド、シリンダで囲まれる燃焼室を備え、燃料噴射
弁から前記ピストンの頂面に向けて燃料を噴射して点火
燃焼させる筒内噴射式火花点火機関において、前記ピス
トンの前記頂面の燃料衝突部および燃焼領域を含む領域
を、少なくとも低熱伝導率の部材によって構成するか、
低熱伝導率かつ低比熱の部材または構造体により構成し
て、燃料衝突部の昇温効率を高めて、ピストンに衝突す
る燃料の蒸発を促進して、ピストン頂面への燃料の付着
を減少してデポジットやスモーク排出を抑止する筒内噴
射式火花点火機関に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の筒内噴射式内燃機関（特開平５−
７１３５０号）において、図１３に示されるように噴射
燃料の蒸発を促進する目的で、断熱部材を取り付ける方
式が提案されている。

【０００３】すなわち、ピストンＰの頂面上に浅皿部Ａ
を形成すると共に浅皿部Ａの中央に深皿部Ｄを形成し、
浅皿部Ａと深皿部Ｄの接続部に形成される角部に向けて
燃焼室内に配置された燃料噴射弁Ｖから燃料を噴射する
ようにした筒内噴射式内燃機関において、上記角部によ
り振り分けられて浅皿部表面に沿い流れる噴射燃料が到
達する浅皿部周壁面部分を断熱部材Ｉにより形成するも
のである。

【０００４】また、このほかにも断熱効果を高める目的
で、ピストン頂面に断熱部材を取り付ける方法（特開昭
６０−１８２３４１）が提案されている。これは、図１
４に示されるようにピストンを構成するクラウン主体Ｐ
の頂部に低熱伝導率の多孔体Ｔ（凹部Ｃ）を設け、燃焼
ガスの多孔体Ｔ中への侵入を防ぐために多孔体Ｔのピス
トン頂面側を耐熱金属材料により覆った頂面部材Ｍを用
いるものである。

【０００５】さらに従来の燃焼室内に燃料噴射弁からピ
ストン頂面に向けて燃料を噴射する筒内噴射式火花点火
機関（特開平９−３１５８８６）において、ピストン頂
面に燃料が液体で衝突する部位を含み、かつ、主たる燃
焼領域を含む領域を熱伝導率が低い部材により構成した
筒内噴射式火花点火機関がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の方法におい
ては、以下の理由によって効果的な燃料蒸発特性が得ら
れないという問題がある。前記特開平５−７１３５０に
おいては、燃料衝突部に前記断熱部材Ｉを設けている
が、該断熱部材Ｉは燃焼ガスから短時間で熱を吸収し、
その熱を噴射された燃料に供給して蒸発させる必要があ
るため、前記断熱部材Ｉを熱伝導率が低い材料で構成し
ても、当該材料の比熱が大きいと該断熱部材Ｉの昇温が
生ずる前に、燃料の蒸発に伴う蒸発潜熱によって冷やさ
れて、燃料の気化がスムーズに進行しないおそれがある
という問題があった。

【０００７】また特開平５−７１３５０においては、前
記断熱部材Ｉの取り付け位置が燃料液膜に沿って流れる
位置に限定されている。この方法では、主たる燃焼領域
が前記断熱部材Ｉの取り付け位置になく、高温部は該断
熱部材Ｉの取り付け位置以外にできやすいので、前記断
熱部材Ｉを付けているがために、逆に、他の部分の熱を
遮断し、低温部になることさえあり得るという問題があ
った。

【０００８】他方前記特開昭６０−１８２３４１では、
多孔体とその表面に耐熱金属を取り付けた断熱部材を設
けているが、目的は断熱効果を高めることにあり、燃料
蒸発を意図していないため、前記断熱部材は前記ピスト
ンの頂面全体であり、多孔体の空隙率が非常に大きいの
で、ピストン上に高温部分が出来すぎるため、吸入空気
量を減少させてしまうほか、燃焼ガスの高温化による燃
料空気の混合不全などを起こしやすくなるとともに、火
花点火エンジンの場合はホットスポットがたくさん出来
ることによるノックやプレイグニッションが生じるとい
う問題があった。

【０００９】さらに特開平９−３１５８８６のように熱
伝導率が低い部材により構成したのみでは、燃料衝突部
位が的確に温度上昇し、かつ衝突する燃料を効率良く的
確に蒸発促進するには万全ではないという問題があっ
た。

【００１０】そこで、本発明者らは、熱伝導率および比
熱などに関する数値の最適化を図り、燃料衝突部位の可
及的速やかな温度上昇と衝突燃料の確実な蒸発促進をも
たらす本発明の筒内噴射式内燃機関用ピストンを案出し
たものである。

【００１１】また本発明者らは、ピストン、シリンダヘ
ッド、シリンダで囲まれる燃焼室を備え、燃料噴射弁か
ら前記ピストンの頂面に向けて燃料を噴射して点火燃焼
させる筒内噴射式火花点火機関において、衝突する燃料
の蒸発を促進するための燃料衝突部の最適な昇温速度が
存在することに着目し、前記ピストンの前記頂面の燃料
が液体で衝突する燃料衝突部を含むとともに主たる燃焼
領域を含む領域を、低熱伝導率かつ低比熱の部材または
構造体により構成して、燃料衝突部の昇温を有効に促進
するという本発明の技術的思想に着眼し、更に研究開発
を重ねた結果、燃料衝突部の昇温効率を高めてピストン
に衝突する燃料の蒸発を促進して、ピストン頂面への燃
料の付着を減少してデポジットやスモーク排出を抑止す
るという目的を達成する本発明に到達した。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の筒内噴射式火花
点火機関は、ピストン、シリンダヘッド、シリンダで囲
まれる燃焼室を備え、燃料噴射弁から前記ピストンの頂
面に向けて燃料を噴射して点火燃焼させる筒内噴射式火
花点火機関において、前記ピストンの前記頂面の燃料が
液体で衝突する燃料衝突部を含むとともに主たる燃焼領
域を含む領域が、低熱伝導率かつ低比熱の部材または構
造体により構成されているものである。

【００１３】

【発明の作用および効果】上記構成より成る本発明の筒
内噴射式火花点火機関は、前記ピストンの前記頂面の燃
料が液体で衝突する燃料衝突部を含むとともに主たる燃
焼領域を含む前記領域が、低熱伝導率かつ低比熱の部材
または構造体により構成されているので、衝突した燃料
の蒸発に伴う蒸発潜熱によって冷やされても前記領域を
構成する前記部材または構造体の昇温を促進するため、
前記燃料衝突部の昇温効率を高めてピストンに衝突する
燃料の蒸発を促進して、ピストン頂面への燃料の付着を
減少してデポジットやスモーク排出を抑止するという効
果を奏する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態につき説
明する。

【００１５】（実施形態）本実施形態の筒内噴射式火花
点火機関は、ピストン頂面、シリンダヘッド下面、シリ
ンダ内面で囲まれる燃焼室内にノズル先端が臨むように
配置された燃焼噴射弁からピストン頂面に向けて燃料を
噴射する筒内噴射式内燃機関において、ピストン頂面上
の一部分である、燃料が液体で衝突する燃料衝突部を含
み、かつ、主たる燃焼領域を含む領域が、低熱伝導率か
つ低比熱の部材または構造体により構成されているとと
もに、熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以下で、かつ比熱が１ｋ
Ｊ／ｋｇＫ以下に設定されているものである。

【００１６】現在検討を行っているＴｉ（Ｔｉ合金）と
ＳＵＳ３０４の熱伝導率は３０Ｗ／ｍＫ以下である。熱
伝導率は、小さいほうが昇温特性が向上するので望まし
いため、熱伝導率３０Ｗ／ｍＫ以下がよいと考えること
が出来る。しかし、製造の容易さ、コスト等を考慮し
て、低合金鋼（熱伝導率はＦｅとＳＵＳ３０４の中間
で、４０Ｗ／ｍＫ程度）を含む熱伝導率５０Ｗ／ｍＫ以
下とした。ピストン母材のＡｌ合金（ＡＣ８Ａ合金）の
熱伝導率は約１２０Ｗ／ｍＫであり、５０Ｗ／ｍＫ以下
であれば十分に昇温効果はあると考えられる。

【００１７】前記領域を構成する前記部材または構造体
は、比熱を６００Ｊ／ｋｇＫ以下に設定することが出来
る。比熱が小さいほど昇温特性は向上する。加えて、高
負荷時の燃料による冷却も容易となり、部材の異常高温
を抑制できると考える。ピストン母材のＡｌ合金の比熱
より、部材の比熱は小さいほうが昇温には有利と考えら
れる。比熱１ｋＪ／ｋｇＫ以下ではＡｌ合金も含んでし
まう場合もあり、確実性の観点より現在検討を行ってい
るＴｉ（Ｔｉ合金）とＳＵＳ３０４を含む範囲である比
熱６００Ｊ／ｋｇＫとするのが望ましい。

【００１８】前記部材または構造体は、上記熱特性を満
たす合金、金属多孔質体、あるいはセラミック等を含む
金属基複合体等であり、構造体は部材よりもさらに低熱
伝導率な層をもつ多孔質構造体等である。

【００１９】限定した範囲内の低熱伝導率、低比熱の耐
熱金属材料として、図１１に示されるようにＴｉ（Ｔｉ
合金）ＳＵＳ、低合金鋼、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｚｒおよび
これらの焼結体、セラミクスとの複合体等がある。強
度、剛性、靱性、母材との熱膨張率差等を考慮すると、
部材として耐熱金属材料が望ましいと考えられる。Ｍ
ｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｚｒは、そのままではあまり実用的では
ないので、実用化にあたりさらに工夫が必要になる。

【００２０】部材の昇温特性を向上させるためには、低
熱伝導部材の熱伝導率をより小さくすることが望まし
い。空隙断熱部を部材内部に有する耐熱金属材料の多孔
体を用いれば、金属材料の熱伝導率をより小さくするこ
とができる。例えば、空隙率の制御によりＴｉの熱伝導
率を１／２以下にすることも可能である。

【００２１】図１２に示されるように多孔体として粉末
成形による焼結体を用いれば、空隙率の制御が比較的容
易であり、加えて、前記低熱伝導部材の形状を任意に決
めることができる。また、セラミクス等の複合化も容易
であり、部材の熱伝導率をある程度制御することができ
る。

【００２２】前記低熱伝導部材の強度、成形性、取扱い
易さ等を考慮すると、焼結体の空隙率は１０〜６０％が
望ましい。また、前記部材に焼結体（多孔体）を用い、
焼結体を鋳包むことによりピストンを製造した場合には
（一般的なピストンの製造方法）、鋳造時に焼結体表面
の空隙の一部にＡｌ合金が含浸するため、強固な結合が
得られるという利点がある。

【００２３】前記部材または構造体は、前記ピストン上
に固定されるものであるが、部材他とピストン母材との
間は全て接触した状態にするのではなく、両者の間に空
気層あるいは真空層が介在形成されるように固定されて
いる。

【００２４】前記部材または構造体の形状は、燃焼室に
臨む面積の１／３以上が厚さ０．１ｍｍ以上、３ｍｍ以
下の薄板状であり、前記部材他の取付け位置および大き
さは、少なくとも噴霧の分裂長さの２倍の位置における
ピストン頂面と噴霧の衝突位置を含み、前記部材他は、
その周囲の表面に対して面一もしくはやや突出して取り
付けられている。

【００２５】以下本発明の実施例につき、図面を用いて
説明する。（第１実施例）本第１実施例の筒内噴射式火花点火機関
について、図１ないし図７を用いて以下説明する。

【００２６】本第１実施例の内燃機関は、吸気ポート２
７、吸気弁２８、点火プラグ３０および排気ポート３
２、排気弁３３を備えたシリンダヘッド２５と、シリン
ダ２４と、シリンダ２４に対して往復動可能に巻装され
たピストン２１で構成されている。

【００２７】前記ピストン２１には側面にピストンリン
グ２９が複数設けられていて、燃焼室３１からの吹き抜
けを防止している。燃料噴射弁２３は、前記シリンダヘ
ッド２５の前記吸気弁２８側にノズル先端２３ａが前記
シリンダ２４の略中心軸に向かうよう傾斜して取り付け
られている。

【００２８】本第１実施例は、所定距離隔てて吸気弁２
８を２個備えており、前記燃料噴射弁２３は前記２個の
吸気弁２８の間に配設されている。燃料の噴射方向はシ
リンダ下方で、クランク角ＴＤＣ±９０℃Ａ以内では燃
料の大部分はピストン２１の頂面２１ａに衝突するよう
に方向づけられている。

【００２９】前記ピストン２１の素材は、アルミ合金
で、ピストン２１の頂面２１ａにはノズル先端２３ａと
点火ブラグ３０をほぼ両端としたキャビティ２２を燃焼
室３１に開口させて形成される。

【００３０】前記キャビティ２２の底面には、熱伝導率
の小さい低熱伝導部材４１が、その周囲と同一面高さに
取り付けられている。前記低熱伝導部材４１の材質は、
ＳＵＳ、チタン、またはそれと同程度の熱伝導率、低比
熱である金属、合金等の多孔体であり、その空隙率は１
０〜６０％である。またその熱伝導率はアルミの約１／
１０に相当する数Ｗ／ｍＫから数十Ｗ／ｍＫの範囲であ
る。また、比熱は６００Ｊ／ｋｇＫ以下、厚さは数百ミ
クロンから数ｍｍの範囲である。

【００３１】また、燃料の多孔体内への含浸を防止する
ため、前記低熱伝導部材４１のキャビティ２２に面する
側は、機械加工、ショットピーニング、あるいはメッキ
等の封孔処理が施されている。

【００３２】前記低熱伝導部材４１は、前記ピストン２
１の頂面２１ａに固定されているが、両者は全面密着状
態ではなく、裏面の一部には空気層あるいは真空層が設
けられている。また前記低熱伝導部材４１の一部は、多
孔体の空隙中にピストン２１の本体のアルミを含浸させ
て強固な結合としてもよい。図４に示される例では裏面
に空気層４２があるが、必ずしもこの構造でなくてもよ
く、例えば、微視的に接触が十分でなければ、図３に示
されるようにピストン２１に低熱伝導部材４１を点状に
ピストン頂面に接触して取り付けただけの構造でもよ
い。

【００３３】前記低熱伝導部材４１の取り付け場所は、
２つの条件を満たす必要がある。第１は、燃料噴霧がピ
ストン２１に液状で衝突する場所である。前記部材４１
の取り付け位置および範囲は、噴射時期におけるノズル
先端２３ａとピストン頂面２１ａの距離と噴霧性状によ
って決まる。燃料はノズル先端２３ａからまず液流とし
て噴出され、分裂によって微粒化される。分裂が完了す
る長さは噴射圧力やノズルの構造によって異なるが、大
気圧下でおよそ１０〜３０ｍｍである。

【００３４】特に液膜を形成しやすいのは、この分裂長
さの約２〜３倍以内の長さである。本実施例では図４に
示されるように、少なくとも分裂長さの約２倍の位置に
おけるピストン頂面２１ａと噴霧５１の衝突位置を含む
ように部材が配置されている。

【００３５】第２は、前記低熱伝導部材４１の取り付け
位置が、主たる燃焼領域の範囲内にあることである。本
実施例では混合気形成箇所と主たる燃焼領域とが同一に
設定されている。

【００３６】以下に上記構成の本ピストンを備えた本第
１実施例の筒内噴射式火花点火機関の作動について説明
する。エンジン筒内の作動ガス温度は、前記ピストン２
１による圧縮によって、さらに、点火後は燃焼によって
上昇する。この熱の一部は熱伝達によってピストン２１
に伝わる。

【００３７】通常のアルミピストンは、体積が大きいた
めに熱容量が大きく、ピストン温度は急には上昇しな
い。さらに、アルミの熱伝導率は大きいので、場所によ
る温度の違いはさほど大きくない。そして、ピストン２
１が作動ガスより受け取る熱は、ピストンリング２９や
ピストンスカートを通じてシリンダ２４へ伝わるため
に、定常状態ではピストン温度はサイクルを通じてあま
り変化しない。

【００３８】負荷が変わった場合は、作動ガスから受け
取る熱量が変わるので、ピストン２１の温度は変化し、
高い負荷になると温度が上がり、低い負荷になると温度
が下がる。しかし、上述の理由でその変化は緩やかで、
急激な温度変化はない。始動時や暖機過程においてもピ
ストン２１の温度上昇は緩やかである。このように、通
常のアルミピストンでは、ピストン温度の変化は負荷に
よって変わるもののその変化は緩やかで、１サイクルの
間の温度変化は小さい特徴がある。

【００３９】筒内に直接燃料を噴射する本実施例の内燃
機関では、ピストン頂面２１ａに向かって燃料が噴射さ
れる。噴射した燃料は空間で蒸発したり、気流に乗って
燃焼室内の空間に留まるが、一部はピストン２１に液状
で衝突する。ピストン温度が高い時には、ピストン頂面
２１ａに衝突した後、ピストン２１から熱を受け取って
素早く蒸発し、長く液膜としてピストン頂面２１ａに残
ることはない。

【００４０】しかし、低負荷時や始動、暖機過程におい
てはピストン温度が低く、蒸発しきれない燃料が液膜と
して残ってしまう。特に、本実施例の内燃機関において
は、低負荷時は空燃比３０を越える希薄条件で運転され
るので、筒内の作動ガスの平均温度は通常のガソリンエ
ンジンに比べて低い。液膜として残った燃料は点火後の
燃焼ガスにさらされるので、デポジットを形成したり、
液膜表面で燃焼して煤を生成したり、排気行程中に蒸発
して未燃炭化水素等の排出源となったりする。

【００４１】一方、本第１実施例の場合は、ピストン２
１に取り付けた低熱伝導率の前記低熱伝導部材４１が、
周囲と熱的に遮断されている。熱の出入りは主に部材４
１を固定する接触部だけで、その面積は限られており、
しかも部材４１の熱伝導率は小さいので熱が逃げにくい
構造となっているからである。

【００４２】したがって、作動ガスから受け取る熱は主
に前記低熱伝導部材４１の温度上昇に使われる。そのう
え、該部材４１の体積は小さく、比熱も小さいので、熱
容量が小さく、部材４１の温度は周囲より早く上がる。
作動ガスから受け取る熱量は次式で表される。Ｑｇ＝ｈｇＡ（Ｔｇ−Ｔｗ）（１）Ｑｇ：熱量ｈｇ：熱伝達率Ａ：表面積Ｔｇ：作動ガス温度Ｔｗ：壁面温度

【００４３】上記式からわかるように壁面すなわち前記
低熱伝導部材４１の温度が低いほどおよび作動ガスの温
度が高いほど、受け取る熱量は大きい。前記低熱伝導部
材４１が最も効果的に熱を受け取るのは作動ガスが高温
の燃焼ガスであるときであり、そのために、前記低熱伝
導部材４１は主たる燃焼領域を含むように取り付けるこ
とが望ましい。

【００４４】他方、前記低熱伝導部材４１の周囲は、ピ
ストンリング２９等を通じてシリンダ２４に熱が逃げる
ので、温度上昇は小さい。その結果、部材４１は周囲に
比べて温度が高くなる。噴射燃料が部材４１に衝突する
と、今度は逆に部材４１から燃料へ熱が伝わる。このと
きの熱量は前記（１）式と同様に次の式で表される。Ｑｗ＝ｈｗＡｗ（Ｔｗ−Ｔｆｏ）（２）Ｑｗ：熱量ｈｗ：熱伝達率Ａｗ：液膜表面積Ｔｆｏ：液滴温度Ｔｗ：壁面温度この熱量によって、燃料が蒸発し、部材４１の温度は下
がる。

【００４５】蒸発に必要な熱量は次式で表される。Ｑｆ＝ｍｆ（Ｃｆ（Ｔｆｖ−Ｔｆｏ）＋ｈｆｇ）（３）Ｑｆ：熱量ｍｆ：液体の質量Ｃｆ：液滴の比熱ｈｆｇ：潜熱Ｔｆｖ：沸点Ｔｆｏ：液滴温度

【００４６】したがって、前記部材４１の熱容量が小さ
すぎると、燃料蒸発に必要な熱量が与えられず、液膜が
残ってしまうばかりか、逆に周囲より部材４１の温度が
下がって蒸発を阻害することもありうる。適正な厚さは
０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下である。

【００４７】図５に示されるように、部材４１に向かっ
て噴射された燃料は、部材４１より熱をもらって従来に
比べて素早く蒸発する。図６は、１サイクルの各行程に
おける前記低熱伝導部材４１の温度変化を模式的に示し
た図である。

【００４８】上記作用を奏する第１実施例の筒内噴射式
火花点火機関は、以上の過程によって、ピストン温度の
低い低負荷条件においても前記低熱伝導部材４１が有効
に昇温して燃料の蒸発は確実になり、液膜残留に伴うデ
ポジットの生成や煤生成を避けるとともに、排出未燃炭
化水素、燃料消費の削減が可能となるという効果を奏す
る。

【００４９】同様の効果は始動時の暖機過程にもある。
始動時は初め部材４１は周囲と同じ温度にある。しか
し、燃焼が開始すると、部材４１の温度は周囲より早く
上昇する。このとき、温度上昇を早めるためにも部材４
１が主たる燃焼領域を含むことが重要である。

【００５０】上述のように、燃料衝突によって前記部材
４１の温度は下がるので、暖機過程においては図７に示
すように、上下に振動しながら徐々に温度が上昇する。
これによって、噴射した燃料の液膜形成量はサイクルを
追って急速に減少する。その結果、上述した効果に加え
て、暖機時間の短縮や増量の削減などの効果がある。

【００５１】また、第１実施例の筒内噴射式内燃機関で
は、エンジン筒内に直接燃料を噴射し燃焼させる。前記
ピストン２１の温度が上昇してノックやプレイグニッシ
ョンの問題が生じ易い高負荷時では、増量された燃料は
前記ピストン頂面２１ａに衝突し前記ピストン２１から
熱を受け取って蒸発するため、前記ピストン頂面２１ａ
の温度上昇は抑制される。断熱部がピストンの頂面全体
である従来の断熱ピストンでは、高負荷時にピストン上
に高温部分ができ過ぎて、吸入空気量を減少させてしま
うほか、燃焼ガスの高温化による燃料空気の混合不全な
どを起こしやすくなる。また、ホットスポットがたくさ
んできることによるノックやプレイグニッションの問題
が生じる。本第１実施例では、低熱伝導、前記低熱伝導
部材４１の取り付け部位は、燃料が液体で衝突する燃料
衝突部を含み、かつ、主たる燃焼領域を含むピストン頂
面２１ａの一部分である。このため、該ピストン頂面２
１ａの前記部材４１への燃料の衝突および燃料の蒸発に
より、高負荷時の前記部材４１の温度上昇は抑制され
て、前記ピストン頂面２１ａ上にホットスポットは形成
されない。

【００５２】さらに第１実施例の筒内噴射式火花点火機
関は、エンジン筒内に直接燃料を噴射し、火花点火によ
って燃焼させる。この機関は圧縮行程後半に燃料を噴射
し、点火プラグ周りにのみ可燃混合気を形成するように
成層化するので、従来の例えば吸気ポートに燃料を噴射
して均一混合気をつくり、点火、燃焼させる方法に比べ
て、より希薄条件、具体的には空燃比３０を越える条件
で運転することができ、ポンピング損失、冷却損失の低
減、作動ガス比熱比の増大によって機関の熱効率を大幅
に改善できる。

【００５３】また第１実施例の筒内噴射式火花点火機関
は、吸気行程に燃料を噴射すれば、混合気は均一化し、
従来の機関と同等、または噴射に伴う空気冷却効果によ
って、より大きい出力を得ることができる。

【００５４】さらに上記構成により成る第１実施例の筒
内噴射式火花点火機関は、前記ピストン２１の前記頂面
２１ａの燃料が液体で衝突する燃料衝突部を含むととも
に主たる燃焼領域を含む前記領域が、少なくとも熱伝導
率が低い低熱伝導部材４１により構成されているので、
前記燃料衝突部の昇温効率を高めて前記ピストン２１に
衝突する燃料の蒸発を促進して、ピストン頂面２１ａへ
の燃料の付着を減少してデポジットやスモーク排出を抑
止するという効果を奏する。

【００５５】（第２実施例）本第２実施例の筒内噴射式
火花点火機関について、図８に示されるように低熱伝導
部材を構造体４３によって構成する点が前記第１実施例
との相違点であり、以下相違点を中心に説明する。

【００５６】前記構造体４３は、２枚の低熱伝導、低比
熱の金属材料４３１を接合して、その間に空気層４３２
を設けたものであり、これがピストン母材２１に固定さ
れている。

【００５７】本第２実施例の筒内噴射式火花点火機関
は、前記構造体４３においては、前記第１実施例に比べ
て密着した構成がとれるので、第１実施例と同様の効果
に加え強度面で優れるという効果を奏するとともに、ま
た異なる２種類の金属材料、多孔体、複合材等を接合し
て用いることも出来、より短時間での昇温が可能となる
という効果を奏する。

【００５８】（第３実施例）本第３実施例の筒内噴射式
火花点火機関について、図９に示されるように低熱伝導
部材としてピストン２の母材２１側に凹凸形状を有する
部材４４を用いた点が前記第１実施例との相違点であ
り、以下相違点を中心に説明する。

【００５９】前記部材４４は、低熱伝導率、低比熱の金
属材料あるいは多孔体、複合体であり、ピストン母材２
１側の凹部２１３にアルミニウムとの非接合剤を、前記
部材４４の凸部４４１にアルミニウムとの接合剤を処理
したものである。これにより、前記凹部２１３では前記
ピストン母材２１と非接合状態となって空気層が形成さ
れ、前記凸部４４１ではピストン母材２１に密着して固
定される。非接合剤として、酸化物、離型剤等、接合剤
として、低融点金属、酸化防止剤等を用いることができ
る。

【００６０】本第３実施例の筒内噴射式火花点火機関
は、前記部材４４の下部に凹凸形状を形成することによ
り、前記第１の実施例に比べて前記部材４４の強度を向
上させることができるとともに、前記空気層を設ける部
位を任意に設定することができるという効果を奏する。

【００６１】（第４実施例）本第４実施例の筒内噴射式
火花点火機関について、図１０に示されるように燃料を
噴射する領域と成層時の主たる燃焼領域が分かれている
点が前記第１実施例との相違点であり、以下相違点を中
心に説明する。

【００６２】図１０は、第４実施例の燃料を噴射する領
域と成層時の主たる燃焼領域が分かれている場合におけ
る低熱伝導部材４１の取り付け位置および形状を示す。

【００６３】本第４実施例の筒内噴射式火花点火機関
は、前記低熱伝導部材４１の取り付け場所が、噴霧の衝
突位置に限らず、主たる燃焼領域に一部掛かるよう配置
し、燃焼ガスの熱を効率的に受け取るようになってい
る。

【００６４】上述の実施形態および実施例は、説明のた
めに例示したもので、本発明としてはそれらに限定され
るものでは無く、特許請求の範囲、発明の詳細な説明お
よび図面の記載から当業者が認識することができる本発
明の技術的思想に反しない限り、変更および付加が可能
である。

【００６５】前記第１実施例においては、一例として前
記低熱伝導部材４１を前記ピストン２１の頂面２１ａに
空気層あるいは真空層を設けて固定する例について説明
したが、本発明としてはそれらに限定されるものでは無
く、両者を全面密着状態で固着することも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の筒内噴射式火花点火機関
を示す断面図である。

【図２】本第１実施例におけるピストンを示す平面図で
ある。

【図３】本第１実施例の筒内噴射式火花点火機関におけ
る低熱伝導部材とピストン頂面との当接状態を示す断面
図である。

【図４】本第１実施例における燃料噴射弁の低熱伝導部
材への噴霧パターン、噴霧の分裂長さとの関係を示す説
明図である。

【図５】本第１実施例と従来における燃料噴射弁からの
噴霧パターンと低熱伝導部材による蒸発状態を示す説明
図である。

【図６】本第１実施例における各行程における低熱伝導
部材の温度変化を示す線図である。

【図７】本第１実施例における低熱伝導部材の温度の時
間変化および従来におけるピストンの温度の時間変化を
示す線図である。

【図８】本発明の第２実施例の筒内噴射式火花点火機関
を示す断面図である。

【図９】本発明の第３実施例の筒内噴射式火花点火機関
を示す断面図である。

【図１０】本発明の第４実施例の筒内噴射式火花点火機
関におけるピストンを示す平面図である。

【図１１】各種材料の比熱と熱伝導度との関係を示す線
図である。

【図１２】本発明の実施形態における多孔体の低熱伝導
部材およびピストンを示す断面図である。

【図１３】従来の筒内噴射式内燃機関を示す断面図であ
る。

【図１４】従来の筒内噴射式内燃機関の金属によって被
覆した多孔体およびそれを備えたピストンを示す断面図
である。

【符号の説明】

２１ピストン２３燃料噴射弁２４シリンダ２５シリンダヘッド２７吸気ポート２８吸気弁２９ピストンリング３０点火プラグ３２排気ポート３３排気弁３１燃焼室４１低熱伝導部材４２空気層２１ａ頂面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者川原博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)発明者清水吉広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)発明者斎藤卓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)発明者松居正夫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)発明者小池誠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)発明者斎藤昭則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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ピストン、シリンダヘッド、シリンダで
囲まれる燃焼室を備え、燃料噴射弁から前記ピストンの
頂面に向けて燃料を噴射して点火燃焼させる筒内噴射式
火花点火機関において、前記ピストンの前記頂面の燃料が液体で衝突する燃料衝
突部を含むとともに主たる燃焼領域を含む領域が、低熱
伝導率かつ低比熱の部材または構造体により構成されて
いることを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。