JP2000170537A - 筒内噴射式エンジン - Google Patents

筒内噴射式エンジン

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JP2000170537A JP10351875A JP35187598A JP2000170537A JP 2000170537 A JP2000170537 A JP 2000170537A JP 10351875 A JP10351875 A JP 10351875A JP 35187598 A JP35187598 A JP 35187598A JP 2000170537 A JP2000170537 A JP 2000170537A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 筒内噴射式エンジンにおいてインジェクタか
ら圧縮行程で燃料を噴射させて成層燃焼を行わせるとき
に、適度に混合気を分散させて局所的な混合気の過濃を
抑制する作用を高め、成層燃焼可能な領域をより拡大す
る。 【解決手段】 圧縮行程でインジェクタ１１からピスト
ン上面のキャビティ２０へ向けて燃料を噴射して、キャ
ビティ近傍に位置する点火プラグ１２周りに混合気を偏
在させるようにした筒内噴射式エンジンにおいて、燃焼
室内にスワールＳを生成するスワール生成手段を備える
とともに、インジェクタ１１から噴射される燃料噴霧が
圧縮行程の中で筒内圧力が低いときは点火プラグ方向に
指向し、筒内圧力が高くなるにつれスワールＳにより点
火プラグ１２から外れた方向に向けられるように、イン
ジェクタ１１の燃料噴射方向、燃料貫徹力及びスワール
比を設定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は燃焼室内に直接燃料
を噴射するインジェクタを備え、低回転低負荷等の運転
領域において圧縮行程で上記インジェクタから燃料を噴
射することにより成層燃焼を行うようにした筒内噴射式
エンジンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来から、ピストンの上面に形成された
凹状のキャビティと、燃焼室内に直接燃料を噴射するイ
ンジェクタと、上記キャビティの近傍に配置された点火
プラグとを備え、低負荷低回転等の運転領域において、
圧縮行程で上記インジェクタからキャビティへ向けて燃
料を噴射することにより、上記点火プラグ周りに混合気
を偏在させた状態とし、成層燃焼を行わせるようにした
筒内噴射式エンジンは一般に知られている。この筒内噴
射式エンジンによると、成層燃焼により平均空燃比を大
幅にリーン化することができ、これによって燃費が改善
される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記筒内噴射式エンジ
ンにおいては、燃費改善効果を高めるべく成層燃焼を行
う運転領域をできるだけ拡大することが望まれるが、こ
の場合、成層燃焼領域のうち比較的高負荷側の領域等で
燃料噴射量が多くなった場合、点火プラグ周りの混合気
が過濃となるという問題がある。
【０００４】すなわち、圧縮行程で上記インジェクタか
ら噴射された燃料の噴霧は上記キャビティでトラップさ
れ、点火プラグ周りに集められ混合気が形成されるの
で、燃料噴射量が少ないときに点火プラグ周りに適度の
空燃比の混合気が偏在する状態が得られるが、燃料噴射
量が増加すると点火プラグ周りに燃料が集中しすぎて、
点火プラグ周りの混合気が濃くなりすぎる。これによ
り、燃費改善効果が阻害されたり、エミッションが悪化
したりする。
【０００５】このため、例えば特開平８−３５４２９号
公報に示されるように、ピストン上面に形成した凹状の
キャビティと、点火プラグと、インジェクタと、上記キ
ャビティ内にスワールを生じさせる手段とを備えたエン
ジンにおいて、予めインジェクタの噴口をインジェクタ
中心線方向に対して傾いた方向に開口させて、燃料噴射
方向が点火プラグ方向に対してスワールの上流側を指向
するように構成したものが提案されている。
【０００６】このエンジンによると、インジェクタから
噴射された燃料の噴霧が点火プラグ方向に対してスワー
ルの上流側のキャビティ壁面区間に達した後、スワール
によりある程度拡散されて可燃空燃比を形成しつつ下流
側に流れて点火プラグ付近を通過するようになるので、
点火プラグ周りに燃料が集中するようなものと比べ、混
合気の過濃をある程度は抑制することができて、成層燃
焼可能な運転領域を拡大することかできる。
【０００７】しかし、上記のように常に点火プラグ方向
に対してスワールの上流側に向けて燃料を噴射するだけ
では、燃料噴射量がある程度以上増加したときに混合気
の拡散が不充分となって局所的に過濃となる場合があ
り、成層燃焼可能な運転領域をさらに拡大するためには
改善の余地がある。
【０００８】本発明はこのような事情に鑑み、インジェ
クタから圧縮行程で燃料を噴射させて成層燃焼を行わせ
さるようにしつつ、燃料噴射量が多いときに適度に混合
気を拡散させて局所的な混合気の過濃を抑制する作用を
高めることにより、従来のエンジンと比べて成層燃焼可
能な領域をより拡大することができる筒内噴射式エンジ
ンを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
ピストンの上面に形成された凹状のキャビティと、燃焼
室内に燃料を噴射するインジェクタと、上記キャビティ
の近傍に配置された点火プラグとを備え、圧縮行程で上
記インジェクタから上記キャビティへ向けて燃料を噴射
して、上記点火プラグ周りに混合気を偏在させるように
した筒内噴射式エンジンにおいて、上記インジェクタか
ら噴射される燃料噴霧の方向を燃料噴射期間中に変更す
るように構成したものである。
【００１０】この構成によると、圧縮行程における燃料
噴射開始後に燃料噴霧の方向が次第に変えられることに
より、噴霧の先端側で燃料と空気とが混合されてなる混
合気が点火プラグ周りを含む適度の範囲に分散される。
従って、燃料噴射量が多いときに局所的に混合気が過濃
となることを防止する作用が、前述のような従来のエン
ジンと比べてより高められる。
【００１１】また、請求項２に係る発明は、ピストンの
上面に形成された凹状のキャビティと、燃焼室内に燃料
を噴射するインジェクタと、上記キャビティの近傍で、
かつ平面視でインジェクタに対向する位置に配置された
点火プラグとを備え、圧縮行程で上記インジェクタから
上記キャビティへ向けて燃料を噴射して、上記点火プラ
グ周りに混合気を偏在させるようにした筒内噴射式エン
ジンにおいて、燃焼室内にスワールを生成するスワール
生成手段を備えるとともに、圧縮行程の中で筒内圧力が
低いときは上記インジェクタから噴射される燃料噴霧が
点火プラグに指向し、筒内圧力が高くなるにつれスワー
ルにより上記燃料噴霧が点火プラグから外れた方向に向
けられるように、インジェクタの燃料噴射方向、燃料貫
徹力及びスワール比を設定したものである。
【００１２】この構成によると、圧縮行程において筒内
圧力が比較的低いときにはインジェクタから噴射された
燃料の貫徹力が大きくて噴霧が点火プラグ方向へ向かう
が、燃料噴射開始後に圧縮行程の進行につれて筒内圧力
が上昇すると、燃料の貫徹力が低下し、それに応じ、ス
ワールにより燃料噴霧の方向が変えられ、これにより混
合気が適度の範囲に分散され、局所的な混合気の過濃を
抑制する作用が良好に得られる。
【００１３】この発明において、圧縮行程中にスワール
がインジェクタの噴口の近傍を通るとともにキャビティ
に流入して旋回しつつ点火プラグ付近を通る気流を生じ
るように燃焼室を構成するとともに、圧縮行程の中で筒
内圧力が高いときに、インジェクタの噴口の近傍を通る
スワールにより上記インジェクタから噴射される燃料噴
霧の方向が変えられて、点火プラグに対し点火プラグ付
近を通る気流の上流側に燃料噴霧が指向するように燃料
噴射方向、燃料貫徹力及びスワール比を設定しておくこ
と（請求項３）が好ましい。
【００１４】このようにすると、点火プラグに対し点火
プラグ付近を通る気流の下流から上流にわたる範囲に混
合気が分散され、良好な混合気分布状態が得られる。
【００１５】また、上記キャビティの周辺のピストン上
面に、ピストン上死点でシリンダヘッド下面と近接する
スキッシュエリアを設けておけば（請求項４）、上記イ
ンジェクタから燃料噴射が行われる圧縮行程後期に、ス
キッシュによってスワールの増速し、もしくはスワール
の減衰を抑制することが可能となる。
【００１６】上記キャビティの形状は、平面視でインジ
ェクタと点火プラグとを結ぶ直線と直交する方向に長径
を有する楕円形状とすればよい（請求項５）。とくに、
上記キャビティにおいてインジェクタに対向する部分の
壁面を、圧縮行程中の筒内圧力の変化に応じて燃料噴霧
の指向位置が変化する範囲にわたり、平面視で一定曲率
の円弧状とすること（請求項６）が好ましい。
【００１７】このようにすれば、燃料噴霧の指向位置が
変化する範囲にわたり、インジェクタに対向する部分の
壁面に沿って気流がスムーズに流れ、この気流による混
合気の分散が効果的に行われる。
【００１８】さらに、キャビティにおいてインジェクタ
に対向する部分の、平面視で一定曲率の円弧状の壁面
を、その曲率中心がインジェクタの噴口よりも所定量だ
け燃焼室中央寄りとなるように形成しておくこと（請求
項７）が好ましい。このようにすると、燃料噴射開始後
の時間経過に伴い筒内圧力の上昇に応じた燃料貫徹力の
低下により燃料噴霧が曲げられるとともにその到達距離
が短くなることに対し、その到達距離の変化に見合うよ
うに噴霧の方向によってインジェクタの噴口からキャビ
ティの壁面までの距離が変わり、キャビティの壁面に沿
って混合気を分散させる作用が良好に得られる。
【００１９】請求項８に係る発明は、ピストンの上面に
形成された凹状のキャビティと、燃焼室内に燃料を噴射
するインジェクタと、上記キャビティの近傍で、かつ平
面視でインジェクタに対向する位置に配置された点火プ
ラグとを備え、圧縮行程で上記インジェクタから上記キ
ャビティへ向けて燃料を噴射して、上記点火プラグ周り
に混合気を偏在させるようにした筒内噴射式エンジンに
おいて、燃焼室内にスワールを生成するスワール生成手
段を備えるとともに、圧縮行程の中で筒内圧力が低いと
きは上記インジェクタから噴射される燃料噴霧が点火プ
ラグから外れた方向に向かい、筒内圧力が高くなるにつ
れスワールにより上記燃料噴霧の方向が変えられて点火
プラグに指向するように、インジェクタの燃料噴射方
向、燃料貫徹力及びスワール比を設定したものである。
【００２０】この構成によると、圧縮行程において筒内
圧力が比較的低くインジェクタから噴射された燃料の貫
徹力が大きい状態にある燃料噴射開始直後は、燃料噴霧
が点火プラグから外れた方向に向かうが、燃料噴射開始
後に圧縮行程の進行につれて筒内圧力が上昇することに
より燃料の貫徹力が低下し、それに応じ、スワールによ
り燃料噴霧の方向が点火プラグに向かうように変えられ
る。従ってこの構成でも、点火プラグ周りを含む適度の
範囲に混合気が分散され、局所的な混合気の過濃を抑制
する作用が良好に得られる。
【００２１】請求項９に係る発明は、ピストンの上面に
形成された凹状のキャビティと、燃焼室内に燃料を噴射
するインジェクタと、上記キャビティの近傍で、かつ平
面視でインジェクタに対向する位置に配置された点火プ
ラグとを備え、圧縮行程で上記インジェクタから上記キ
ャビティへ向けて燃料を噴射して、上記点火プラグ周り
に混合気を偏在させるようにした筒内噴射式エンジンに
おいて、燃焼室内にタンブルを生成するタンブル生成手
段を備えるとともに、圧縮行程の中で筒内圧力が低いと
きは上記インジェクタから噴射される燃料噴霧がキャビ
ティ内の点火プラグに対応する位置に指向し、筒内圧力
が高くなるにつれタンブルにより上記燃料噴霧が点火プ
ラグから外れた方向に向けられるように、インジェクタ
の燃料噴射方向、燃料貫徹力及びタンブル比を設定した
ものである。
【００２２】この構成によると、圧縮行程において筒内
圧力が比較的低いときにはインジェクタから噴射された
燃料の貫徹力が大きくて噴霧が点火プラグ方向へ向かう
が、燃料噴射開始後に圧縮行程の進行につれて筒内圧力
が上昇すると、燃料の貫徹力が低下し、それに応じ、タ
ンブルにより燃料噴霧の方向が変えられ、これにより混
合気が適度の範囲に分散され、局所的な混合気の過濃を
抑制する作用が良好に得られる。
【００２３】請求項１０に係る発明は、ピストンの上面
に形成された凹状のキャビティと、燃焼室内に燃料を噴
射するインジェクタと、上記キャビティの近傍で、かつ
平面視でインジェクタに対向する位置に配置された点火
プラグとを備え、圧縮行程で上記インジェクタから上記
キャビティへ向けて燃料を噴射して、上記点火プラグ周
りに混合気を偏在させるようにした筒内噴射式エンジン
において、燃焼室内にタンブルを生成するタンブル生成
手段を備えるとともに、圧縮行程の中で筒内圧力が低い
ときは上記インジェクタから噴射される燃料噴霧が点火
プラグから外れた方向に向かい、筒内圧力が高くなるに
つれスワールにより上記燃料噴霧の方向が変えられてキ
ャビティ内の点火プラグに対応する位置に指向するよう
に、インジェクタの燃料噴射方向、燃料貫徹力及びタン
ブル比を設定したものである。
【００２４】この構成によると、圧縮行程において筒内
圧力が比較的低くインジェクタから噴射された燃料の貫
徹力が大きい状態にある燃料噴射開始直後は、燃料噴霧
が点火プラグから外れた方向に向かうが、燃料噴射開始
後に圧縮行程の進行につれて筒内圧力が上昇することに
より燃料の貫徹力が低下し、それに応じ、タンブルによ
り燃料噴霧の方向が点火プラグに近づくように変えられ
る。従ってこの構成でも、点火プラグ周りを含む適度の
範囲に混合気が分散され、局所的な混合気の過濃を抑制
する作用が良好に得られる。
【００２５】
【発明の実施の形態】本発明の実施形態を図面に基づい
て説明する。
【００２６】図１は、本発明の実施形態に係る筒内噴射
式エンジンの主要部の構造を示している。このエンジン
は、複数のシリンダ２を有するシリンダブロック１と、
このシリンダブロック１上に設けられたシリンダヘッド
３とを備えている。上記シリンダ２内にはピストン４が
上下方向（シリンダ軸線方向）に往復動可能に嵌挿され
ており、このピストン４の上面４ａとシリンダヘッド３
の下面３ａとの間に燃焼室５が形成されている。
【００２７】上記燃焼室５の天井部分を構成するシリン
ダヘッド３の下面３ａはペントルーフ形状とされてい
る。ピストン４の上面４ａの概略形状もシリンダヘッド
３の下面３ａに対応したペントルーフ形状となってお
り、さらにこのピストン４の上面４ａには、後に詳述す
る凹状のキャビティ２０が形成されている。
【００２８】シリンダヘッド３には、図３にも示すよう
に、燃焼室５に開口する２つの吸気ポート７ａ，７ｂ及
び２つの排気ポート８ａ，８ｂが形成され、これら吸気
ポート７ａ，７ｂ及び排気ポート８ａ，８ｂをそれぞれ
開閉する吸気弁９及び排気弁１０が設けられている。さ
らにシリンダヘッド３には、燃焼室５の周辺部に位置し
て燃料を燃焼室５内に直接噴射するインジェクタ１１
と、燃焼室５の中央部に位置する点火プラグ１２とが配
設されている。
【００２９】上記両吸気ポート７ａ，７ｂのうちの一方
にはスワール制御弁１３が設けられ、両吸気ポート７
ａ，７ｂ及びスワール制御弁１３により、燃焼室５内に
スワールＳ（横渦）を生成するスワール生成手段が構成
されている。すなわち、上記スワール制御弁１３により
一方の吸気ポート７ａの吸気流動が遮断または制限され
ると、他方の吸気ポート７ｂから燃焼室５内に流入する
吸気流により燃焼室５内に一定方向に旋回するスワール
Ｓが生成され、図示の例では平面視で反時計方向にスワ
ールＳが生成される。そして、上記スワール制御弁１３
が全閉状態のときスワールＳが最も強くなり、このとき
のスワール比は３〜４程度に設定されている。
【００３０】ここで、上記スワール比とは、吸気流動方
向角速度をバルブリフト毎に測定して積分した値をエン
ジン角速度で除した値のことであり、上記流動方向角速
度は図４に示す測定装置３０により求められるものであ
る。すなわち、この測定装置３０は、基台３１にシリン
ダヘッド３を上下反転して設置し、吸気ポート７を図外
の吸気供給装置に接続する一方、そのシリンダヘッド３
上にシリンダ３２を設置し、そのシリンダ３２の上端
に、下側にハニカム状ロータ３３を有するインパルスメ
ータ３４を接続してなる。なお、シリンダヘッド３の上
面とインパルスメータ３４の下面との距離は、シリンダ
径の１．７５倍に設定されている。そして、上記吸気供
給装置からの吸気供給に応じてシリンダ３２内に生じる
スワールによりハニカム状ロータ３３に作用するトルク
をインパルスメータ３４で計測し、この計測値に基づい
て吸気流動方向角速度が求められるようになっている。
【００３１】また、上記インジェクタ１１は、燃焼室５
の周辺部における両吸気ポート７ａ，７ｂ間に配置さ
れ、その燃料噴射軸線はインジェクタ１１自体の中心線
と略一致している。そして、インジェクタ１１から斜め
下方に向けて燃料が噴射され、平面視では燃焼室中央部
に向けて燃料が噴射されるように、インジェクタ１１の
配置が設定されている。
【００３２】キャビティ２０は、ピストン４の上面にお
いて点火プラグ１２に近接する中央頂部とインジェクタ
１１に近い片側斜面部とにわたる範囲内に凹状に形成さ
れている。図１の断面図に示すようにこのキャビティ２
０の底面２１は略平坦水平状であり、この底面２１から
曲面部分２２を介して上方に立ち上がる周壁２３がピス
トン４の上面に達している。平面視でキャビティ２０
は、インジェクタ１１と点火プラグ１２とを結ぶ直線と
直交する方向を長軸とする楕円形状となっている。
【００３３】そして、例えばエンジンの低負荷低回転の
運転領域において、圧縮行程で上記インジェクタ１１の
噴口から上記キャビティ２０に向けて燃料を噴射して点
火プラグ１２周りに混合気を偏在させ、その点火プラグ
１２の点火により成層燃焼を行うように構成されてい
る。
【００３４】とくに本発明のエンジンの特徴として上記
インジェクタ１１から噴射された燃料噴霧の方向が燃料
噴射期間中に変わるように構成され、当実施形態では圧
縮行程の進行につれて燃料貫徹力が低下するに伴いスワ
ールＳで噴霧の方向が変えられるようになっている。
【００３５】すなわち、インジェクタ１１から噴射され
た燃料の貫徹力は筒内圧力に影響され、かつ、相対的に
燃料貫徹力が弱くてスワールＳが強いときはそのスワー
ルＳの影響で燃料噴霧が曲げられることから、圧縮行程
の中で筒内圧力が低いときは燃料噴霧が点火プラグ方向
を指向し、筒内圧力が高くなるにつれスワールＳにより
点火プラグ１２から外れた方向に向けられるように、イ
ンジェクタ１１の燃料噴射方向、燃料貫徹力及びスワー
ル比が設定されている。
【００３６】より具体的に説明すると、上記スワールＳ
は、吸気行程で吸気ポート７ｂから燃焼室５に流入する
気流により生じて圧縮行程でも持続し、インジェクタ１
１の噴口近傍を通って燃焼室５内を一定方向（例えば図
３中の矢印のように平面視で反時計方向）に旋回する。
このスワールＳは上記キャビティ２０内にも流入し、燃
焼室中央部側では、キャビティ周壁２３に沿って点火プ
ラグ１２の先端部付近を通過する気流Ｓａが生じる（図
２参照）。
【００３７】一方、インジェクタ１１から点火プラグ方
向（正確には上記キャビティ２０内で点火プラグ１２下
方の位置に向かう方向）に燃料が噴射され、圧縮行程の
中で筒内圧力が低いときは燃料貫徹力が強くて燃料噴霧
が殆ど曲がらずに点火プラグに指向するが、後に詳述す
るように、圧縮行程の進行により筒内圧力が高くなるに
つれ、燃料貫徹力が低下することにより、インジェクタ
１１の噴口近傍を通るスワールＳにより燃料噴霧の方向
が変えられて、点火プラグ１２に対し気流Ｓａの上流側
に燃料噴霧が指向するように燃料噴射方向、燃料貫徹力
及びスワール比が設定されている。
【００３８】圧縮行程後期に上記スワールＳを強化する
ため、上記キャビティ２０の周辺のピストン上面４ａに
は、ピストン上死点でシリンダヘッド下面３ａと近接す
るスキッシュエリア２５が設けられている。
【００３９】また、上記のように平面視で楕円形状とさ
れたキャビティ２０の周壁２３のうちで、インジェクタ
１１に対向するピストン中央部側の部分２４の壁面は、
平面視で一定曲率の円弧状に形成されている。この一定
曲率の円弧状とされる範囲は、圧縮行程中の筒内圧力の
変化に応じて燃料噴霧の指向位置が変化する範囲に対応
するように設定されている。つまり、上記のように圧縮
行程の進行につれて燃料噴霧の方向が変えられるが、平
面視でインジェクタ１１と点火プラグ１２とを結ぶ直線
２６（以下、この直線を噴射基準線２６と呼ぶ）に対し
て燃料噴霧が最も大きく曲ったときの曲り角度をθとす
ると、噴射基準線２６を中心としてその両側に上記曲り
角度θに対応する範囲にわたり、一定曲率の円弧状とさ
れている。
【００４０】さらに、筒内圧力が高くなることに応じて
燃料貫徹力が低下するに伴い、燃料噴霧の曲りが大きく
なるとともに燃料到達距離が短くなることから、それに
見合うように、キャビティ周壁のうちで上記部分２４
は、上記噴射基準線２６上の位置から離れるにつれてイ
ンジェクタ１１からの距離が短くされ、つまりインジェ
クタ１１の噴口よりも所定量だけ燃焼室中央寄りの位置
を曲率中心Ｏとする一定曲率の円弧状に形成されてい
る。
【００４１】以上のような当実施形態の装置の作用を、
次に説明する。
【００４２】図５は横軸をクランク角として圧縮行程に
おける上死点前１２０度（−１２０degATDC）から上死
点（０degATDC）までの間における筒内圧力の変化を示
すとともに、圧縮行程噴射による成層燃焼が行われると
きのインジェクタ１１からの燃料噴射のタイミング及び
噴射期間、点火タイミング等を示している。この図のよ
うに、低回転低負荷領域等で成層燃焼が行われるとき
は、インジェクタ１１からの燃料噴射が圧縮行程後期に
行われ、かつ、運転状態に応じた要求燃料噴射量が選ら
れるように噴射期間が調整されつつ、点火タイミングよ
りも所定クランク角だけ前に燃料噴射が終了するように
噴射タイミングが調整される。
【００４３】そして、筒内圧力は、噴射期間の初期には
比較的低いが、圧縮行程の進行に応じて次第に上昇し、
噴射期間の終期にはかなり高くなる。
【００４４】図６は圧縮行程の筒内圧力に相当する雰囲
気圧とインジェクタ１１から噴射される燃料の貫徹力
（ペネトレーション）との関係について調べたデータを
示し、貫徹力は噴射から一定時間後の噴霧１５の到達距
離Ｌ（図７参照）をもって表している。図６のように、
雰囲気圧（筒内圧力）が高くなるにつれ、空気抵抗が増
大することで燃料の貫徹力は低くなる。
【００４５】また、図８は圧縮行程でインジェクタから
噴射された燃料噴霧や混合気の状態の時間的変化を示す
ものであって、同図（ａ）は噴射期間初期（図５中のＴ
ａ時点）における状態、同図（ｂ）は噴射期間中期（図
５中のＴｂ時点）における状態、同図（ｃ）は噴射期間
終期（図５中のＴｃ時点）における状態、同図（ｄ）は
点火時期（図５中のＴｄ時点）における状態をそれぞれ
示している。これらの図において、比較的密にドットを
付した部分はインジェクタ１１からの燃料噴霧１５を示
し、粗くドットを付した部分は燃料噴霧がキャビティ２
０内の気流中の空気と混合した混合気１６を示してい
る。
【００４６】上記の図５〜図８に示すように、噴射期間
初期には筒内圧力が低く、このときにはインジェクタ１
１から噴射された燃料の貫徹力が大きいために燃料噴霧
１５は殆ど曲らずに点火プラグ１２の方向へ向かう。こ
の時点より圧縮行程が進行するとそれにつれて筒内圧力
は次第に上昇し、それに応じて燃料の貫徹力が小さくな
ることから、相対的にスワールの影響を受け易くなり、
インジェクタ１１の噴口の近傍を通るスワールＳにより
燃料噴霧１５が曲げられる。つまり、図９にも示すよう
に、噴射開始後の時間経過に応じ、噴射基準線２６に対
する噴射方向角度（スワールＳによる燃料噴霧１５の曲
り）が大きくなる。
【００４７】この場合、上記キャビティ２０の周辺にス
キッシュエリア２５が形成されていることにより、ピス
トン４が上死点に近づくと上記スキッシュエリア２５で
スキッシュが生じ、このスキッシュによってスワールが
増速され、もしくはスワールの減衰が抑制され、燃料噴
霧を曲げる作用が有効に発揮される。
【００４８】図２，図８によって噴霧１５の曲り方を具
体的に説明すると、これらの図に示す例では燃焼室５の
左側に位置するインジェクタ１１から右方へ燃料が噴射
されるとともにスワールＳが反時計方向に旋回し、イン
ジェクタ１１の噴口の近傍を通るスワールＳにより図の
下側の方向に噴霧１５が曲げられ、キャビティ２０内の
インジェクタ１１に対向する壁面に沿った部分２４では
キャビティ２０内に流入したスワールによる気流Ｓａが
図の下側から上側に向かう流れとなるので、上記のよう
に曲げられた噴霧１５は点火プラグ１２に対し気流Ｓａ
の上流側に指向するようになる。
【００４９】そして、噴霧１５の先端側では燃料がキャ
ビティ壁面に沿った気流Ｓａによりミキシングされて気
化、霧化しつつ空気と混合し、その混合気１６が上記気
流Ｓａで点火プラグ１２の上流側から下流側へ流れる。
【００５０】従って、燃料噴射期間中には噴射開始後の
時間経過に伴って図８（ｂ），（ｃ）のように、燃料噴
霧１５が次第に大きく曲げられて、その指向する位置が
点火プラグ１２に対して気流Ｓａの上流側へ変位してい
くとともに、噴霧１５の先端側の混合気は次第に気流の
下流側へ流れる。つまり、燃料噴射期間の初期に噴射さ
れた燃料による混合気は気流Ｓａで点火プラグ下流側に
流され、燃料噴射が遅いものほど気流Ｓａの上流側に分
布する状態となり、点火時期には図８（ｄ）のように点
火プラグ１２の下流から上流にわたる範囲に適度の空燃
比の混合気が分布する状態となる。
【００５１】このようにして、混合気が適度に分散して
局部的な混合気のオーバーリッチ（過濃）が抑制される
ため、着火性及び燃焼性が向上される。
【００５２】とくに当実施形態では、上記キャビティ２
０が、平面視で噴射基準線２６と直交する方向に長径を
有する楕円形状とされ、かつ、このキャビティ２０にお
いてインジェクタ１１に対向する部分２４の壁面が、圧
縮行程中の筒内圧力の変化に応じて燃料噴霧の指向位置
が変化する範囲にわたり、平面視で一定曲率の円弧状と
されていることにより、噴射開始後の燃料噴霧が到達す
る位置が変化する範囲にわたり、キャビティ２０内での
気流Ｓａが一定曲率の円弧状壁面に沿ってスムーズに旋
回する。
【００５３】さらに、このインジェクタ１１に対向する
部分２４の円弧状壁面の曲率中心Ｏがインジェクタ１１
の噴口よりも所定量だけ燃焼室中央寄りとなるように形
成されていることにより、良好な燃料分布状態が得られ
る。すなわち、燃料噴射開始後の時間経過に伴い筒内圧
力の上昇に応じた燃料貫徹力の低下により燃料噴霧が曲
げられるとともにその到達距離が短くなるが、それに見
合うように噴射基準線２６に対する角度が大きくなるに
つれてインジェクタ１１の噴口から壁面までの距離が短
くなることにより、燃料噴霧１５が壁面に沿った気流Ｓ
ａに到達してこの気流Ｓａでミキシングされつつ下流側
に流される状態が確保される。従って、気流Ｓａに沿っ
て点火プラグ１２の下流側から上流側にまでわたり適度
の空燃比の混合気が分布する状態が良好に得られる。
【００５４】なお、図８は燃料噴射量が比較的多い場合
について示しているが、例えば燃料噴射量が変わっても
噴射終了時期が略一定となるように噴射タイミングを調
整すれば、燃料噴射量が少ない場合は、燃料噴射量が多
い場合と比べて燃料噴射開始時期が遅くなることにより
気流Ｓａの下流側への混合気の分散が抑制され、点火プ
ラグ周りには適度の空燃比の混合気が分布する状態が確
保されて、オーバーリーンになることがない。従って、
燃料噴射量が少ない低負荷時にも、良好に成層燃焼が行
われる。
【００５５】ここで、上記のような当実施形態のエンジ
ンと前述の特開平８−３５４２９号公報に示されるよう
な従来のエンジンとの作用効果上の差異を、図１０によ
って説明する。図１０は、圧縮行程における燃料噴射開
始後の点火プラグ位置での局所空燃比の変化を、横軸を
クランク角として示すものであって、Ａは上記従来のエ
ンジンによる場合、Ｂは当実施形態のエンジンによる場
合を示している。
【００５６】この図のように、当実施形態のエンジンに
よると、燃料噴射期間の初期には点火プラグ方向に燃料
が噴射されるので、燃料噴射開始時点から点火プラグに
対し上流側に向けて燃料が噴射されるようになっている
上記従来のエンジンによる場合と比べ、点火プラグ周り
に燃料が達して点火プラグ位置が可燃空燃比となる時期
は早くなる。そして、当実施形態のエンジンでは燃料噴
射開始後に噴霧の方向が次第に点火プラグの上流側に向
くように変えられ、燃料噴射期間の終期に噴霧の方向の
傾きが上記従来のエンジンによる場合と同程度とする
と、噴射後に点火プラグ位置の空燃比が可燃空燃比より
リーンとなる時期は同じであるため、可燃範囲にある期
間が従来のエンジンによる場合よりも長くなる。
【００５７】このように可燃範囲にある期間が長くなる
と、可燃空燃比の混合気の分布範囲が広がり、その分だ
け局部的な混合気のオーバーリッチが避けられることと
なる。つまり、上記従来のエンジンと比べ、燃料噴射量
が多い領域で局部的な混合気のオーバーリッチを抑制す
る作用が高められ、適正な成層燃焼を維持し得る運転領
域をより高負荷側まで拡大することができる。
【００５８】また、上記従来のエンジンでは、予めイン
ジェクタ自体の噴射方向を点火プラグに対し上流側に向
けるようにする必要があり、インジェクタ本体の中心線
をこのような方向に傾けるようにインジェクタを取付け
ることは吸気ポート等との干渉を招いてレイアウト的に
困難であるので、インジェクタ本体の中心線に対し噴口
を斜めに形成する必要があるが、このようにするとイン
ジェクタの成形及びシリンダヘッドへの組付け作業（と
くに噴口の向きの調整）が面倒なものとなる。これに対
し、当実施形態の装置によると、燃料噴射期間中にスワ
ールによって噴霧の方向が変えられるので、インジェク
タ１１自体は通常のインジェクタと同様に中心線方向に
噴口を開口させておけばよく、インジェクタ１１の成形
及び組付けが簡単になる。
【００５９】なお、本発明のエンジンの具体的構造は上
記実施形態に限定されず、種々変更可能である。
【００６０】例えば、上記実施形態では、スワールを利
用してインジェクタからの噴霧の方向を燃料噴射期間中
に変更するものであって、圧縮行程において筒内圧力が
低いときは燃料噴霧が点火プラグに指向し、筒内圧力が
高くなるにつれて点火プラグから外れた方向に向けられ
るようになっているが、図１１は上記実施形態の変形例
として、圧縮行程の中で筒内圧力が低いときは上記イン
ジェクタから噴射される燃料噴霧が点火プラグから外れ
た方向に向かい、筒内圧力が高くなるにつれスワールに
より上記燃料噴霧の方向が変えられて点火プラグ１２に
指向するようになっている。
【００６１】すなわち、図１１に示す例では、予めイン
ジェクタ１１自体の燃料噴射方向が点火プラグ１２に向
かう方向から外れて、これよりも気流Ｓａの下流側に向
くように設定されている。そして、圧縮行程において筒
内圧力が比較的低い燃料噴射期間初期には、図１１
（ａ）のように、燃料噴霧がスワールＳで曲げられずに
上記の予め設定された燃料噴射方向に向くが、筒内圧力
が上昇すると燃料貫徹力が弱くなってスワールＳにより
噴霧が曲げられるため、燃料噴射期間の中期、後期へと
移行するにつれ、図１１（ｂ），（ｃ）のように、燃料
噴霧が指向する位置が次第に気流Ｓａの上流側へずれ
て、燃料噴射期間の後期にはほぼ点火プラグ１２に指向
することとなるように、燃料貫徹力及びスワール比等が
設定されている。
【００６２】このようにした場合も、燃料噴射期間中に
スワールによって燃料噴霧の方向が変更されることによ
り、混合気が適度に分散されて局部的なオーバーリッチ
が防止され、かつ、燃料噴射期間後期には燃料噴霧がほ
ぼ点火プラグ１２に指向するため点火プラグ周りに適度
の空燃比の混合気が存在する状態が確保され、着火性及
び燃焼性が向上される。
【００６３】図１２は本発明の別の実施形態を示してお
り、この実施形態では燃焼室内にタンブルを生成するタ
ンブル生成手段を備えるとともに、燃料噴射期間中に上
記タンブルにより燃料噴霧の方向が変えられるようにな
っている。
【００６４】すなわち、この図に示すエンジンは、シリ
ンダ２内のピストン４の上面にキャビティ２０´が形成
されるとともに、燃焼室５に開口する吸気ポート７´及
び排気ポート８と、これらのポート７´，８を開閉する
吸気弁９及び排気弁１０と、燃焼室５の周辺部に位置す
るインジェクタ１１と、燃焼室５の中央部に位置する点
火プラグ１２とが配設されている点は第１の実施形態と
同様であるが、吸気ポート７´はタンブルＴを生成する
ように形成されている。また、キャビティ２０´は、タ
ンブルＴをスムーズに旋回させることができるように縦
断面が概略円弧状に形成されている。
【００６５】上記タンブルＴは、吸気ポート７´からイ
ンジェクタ１１の噴口の近傍を通り、吸気ポート側のシ
リンダ壁に沿って下方に流れてから、ピストン４上面の
キャビティ２０´で旋回して点火プラグ１２に向かうよ
うになっている。
【００６６】そして、圧縮行程の中で筒内圧力が低いと
きは図１２（ａ）のようにインジェクタ１１から噴射さ
れる燃料噴霧がキャビティ２０´内の点火プラグ１２に
対応する位置（点火プラグ１２の直下方の位置）を指向
し、筒内圧力が高くなるにつれ、図１２（ｂ）のようイ
ンジェクタ１１の噴口近傍を通るタンブルＴにより燃料
噴霧が下方へ曲げられて、点火プラグ１２から外れた方
向（キャビティ２０´から点火プラグ１２に向かう気流
の上流側）に向けられるように、インジェクタ１１の燃
料噴射方向、燃料貫徹力及びタンブル比が設定されてい
る。
【００６７】この実施形態によっても、燃料噴射期間中
に筒内圧力が高くなるに伴ってタンブルＴにより燃料噴
霧の方向が変えられ、かつ、キャビティ２０´から点火
プラグ１２へ向かう気流によって混合気が点火プラグ方
向へ流されることにより、点火時期には図１２（ｃ）の
ように混合気が適度に分散する。こうして、第１実施形
態と同様の作用が得られる。
【００６８】図１３は上記の図１２に示す実施形態の変
形例として、圧縮行程の中で筒内圧力が低いときは上記
インジェクタから噴射される燃料噴霧が点火プラグから
外れた方向に向かい、筒内圧力が高くなるにつれタンブ
ルＴにより上記燃料噴霧の方向が変えられて点火プラグ
１２に対応する位置に指向するようになっている。
【００６９】すなわち、図１３に示す例では、予めイン
ジェクタ１１自体の燃料噴射方向がキャビティ２０´内
で点火プラグ１２の直下方の位置から離れた位置に向く
ように設定されている。また、タンブルＴは図１２に示
す例とは逆方向に旋回する。つまり、吸気ポート７´か
ら燃焼室５内の排気ポート側の空間を下方に向かって流
れてから、ピストン４上面で旋回した後、吸気ポート側
のシリンダ壁に沿って上方へ向かって流れるようなタン
ブルＴが生成され、そのタンブルＴがインジェクタ１１
の噴口近傍を通過するように、吸気ポート及び燃焼室等
の形状が設定されている。
【００７０】そして、圧縮行程において筒内圧力が比較
的低い燃料噴射期間初期には、図１３（ａ）のように、
燃料噴霧がタンブルＴで曲げられずに上記の予め設定さ
れた燃料噴射方向に向くが、筒内圧力が上昇すると燃料
貫徹力が弱くなってタンブルＴ噴霧が曲げられるため、
燃料噴射期間の後期には図１３（ｂ）のように燃料噴霧
が指向する位置が点火プラグ１２に近づくように、燃料
貫徹力及びタンブル比等が設定されている。
【００７１】このようにした場合も、燃料噴射期間中に
タンブルＴによって燃料噴霧の方向が変更されることに
より、混合気が適度に分散されて局部的なオーバーリッ
チが防止され、かつ、点火プラグ周りに適度の空燃比の
混合気が存在する状態が確保され、着火性及び燃焼性が
向上される。
【００７２】
【発明の効果】圧縮行程でインジェクタからピストン上
面のキャビティへ向けて燃料を噴射して、キャビティの
近傍に位置する点火プラグ周りに混合気を偏在させるよ
うにしたものにおいて、インジェクタから噴射される燃
料噴霧の方向を燃料噴射期間中に変更するようにしてい
るため、燃料噴射量が多いときに適度に混合気を分散さ
せて、局所的に混合気が過濃となることを防止する作用
が従来と比べて高められる。従って、点火プラグ周りの
混合気が過濃となることを防止しつつ適正に成層燃焼を
行い得る領域を高負荷側へ拡大することができ、燃費改
善効果を高めることができる。
【００７３】とくに、燃焼室内にスワールを生成するス
ワール生成手段を備えるとともに、上記インジェクタか
ら噴射される燃料噴霧が圧縮行程の中で筒内圧力が低い
ときは点火プラグ方向に指向し、筒内圧力が高くなるに
つれスワールにより点火プラグから外れた方向に向けら
れるように、インジェクタの燃料噴射方向、燃料貫徹力
及びスワール比を設定しておけば、インジェクタなどの
構造を簡単に保ちつつ、上記のような効果を良好に発揮
させることができる。
【００７４】また、上記スワール生成手段に変えてタン
ブル生成手段を備え、インジェクタから噴射される燃料
噴霧が圧縮行程の中で筒内圧力が低いときはキャビティ
内の点火プラグに対応する位置を指向し、筒内圧力が高
くなるにつれタンブルにより点火プラグから外れた方向
に向けられるように、インジェクタの燃料噴射方向、燃
料貫徹力及びタンブル比を設定しておくようにしても、
上記のような効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るエンジンの主要部を
示す縦断面図である。
【図２】ピストンの上面部分の平面図である。
【図３】エンジンの吸気ポート及び排気ポート等を示す
概略平面図である。
【図４】スワール比を測定するための計測装置を示す概
略図である。
【図５】圧縮行程おける筒内圧力の変化を示すグラフで
ある。
【図６】インジェクタから噴射される燃料の貫徹力（ペ
ネトレーション）と雰囲気圧との関係を示すグラフであ
る。
【図７】ペネトレーションの定め方についての説明図で
ある。
【図８】（ａ）〜（ｄ）は圧縮行程における燃料噴射開
始後の各段階での燃料噴霧及び混合気の状態を示す概略
平面図である。
【図９】圧縮行程における燃料噴射開始後の時間経過に
応じた噴射方向角度の変化を示すグラフである。
【図１０】圧縮行程おける点火プラグ位置の空燃比の変
化を示すグラフである。
【図１１】スワールによって燃料噴射期間中に噴霧の方
向を変更する構造の変形例を示すものであって、（ａ）
〜（ｃ）は圧縮行程における燃料噴射開始後の各段階で
の燃料噴霧及び混合気の状態を示す概略平面図である。
【図１２】本発明の別の実施形態を示すものであって、
（ａ）〜（ｃ）は圧縮行程における燃料噴射開始後の各
段階でのエンジン主要部の縦断面図である。
【図１３】図１２に示す実施形態の変形例を示すもので
あって、（ａ），（ｂ）は圧縮行程における燃料噴射開
始後の各段階での燃料噴霧及び混合気の状態を示す概略
平面図である。
【符号の説明】
４ ピストン ５ 燃焼室 １１ インジェクタ １２ 点火プラグ １３ スワール制御弁 ２０ キャビティ Ｓ スワール Ｔ タンブル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 白石 徹 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツダ 株式会社内 (72)発明者 山下 洋幸 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツダ 株式会社内 Ｆターム(参考） 3G023 AA02 AA18 AB03 AC05 AD02 AD03 AD04 AD07 AD08 AD09 AD12 AF01 AG01 3G301 HA01 HA04 HA06 HA16 JA02 KA08 KA24 LA05 LB04 MA19 PA17Z PC01Z PE01Z

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ピストンの上面に形成された凹状のキャ
    ビティと、燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、
    上記キャビティの近傍に配置された点火プラグとを備
    え、圧縮行程で上記インジェクタから上記キャビティへ
    向けて燃料を噴射して、上記点火プラグ周りに混合気を
    偏在させるようにした筒内噴射式エンジンにおいて、上
    記インジェクタから噴射される燃料噴霧の方向を燃料噴
    射期間中に変更するように構成したことを特徴とする筒
    内噴射式エンジン。
  2. 【請求項２】 ピストンの上面に形成された凹状のキャ
    ビティと、燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、
    上記キャビティの近傍で、かつ平面視でインジェクタに
    対向する位置に配置された点火プラグとを備え、圧縮行
    程で上記インジェクタから上記キャビティへ向けて燃料
    を噴射して、上記点火プラグ周りに混合気を偏在させる
    ようにした筒内噴射式エンジンにおいて、燃焼室内にス
    ワールを生成するスワール生成手段を備えるとともに、
    圧縮行程の中で筒内圧力が低いときは上記インジェクタ
    から噴射される燃料噴霧が点火プラグに指向し、筒内圧
    力が高くなるにつれスワールにより上記燃料噴霧が点火
    プラグから外れた方向に向けられるように、インジェク
    タの燃料噴射方向、燃料貫徹力及びスワール比を設定し
    たことを特徴とする筒内噴射式エンジン。
  3. 【請求項３】 圧縮行程中にスワールがインジェクタの
    噴口の近傍を通るとともにキャビティに流入して旋回し
    つつ点火プラグ付近を通る気流を生じるように燃焼室を
    構成するとともに、圧縮行程の中で筒内圧力が高いとき
    に、インジェクタの噴口の近傍を通るスワールにより上
    記インジェクタから噴射される燃料噴霧の方向が変えら
    れて、点火プラグに対し点火プラグ付近を通る気流の上
    流側に燃料噴霧が指向するように燃料噴射方向、燃料貫
    徹力及びスワール比を設定したことを特徴とする請求項
    ２記載の筒内噴射式エンジン。
  4. 【請求項４】 上記キャビティの周辺のピストン上面
    に、ピストン上死点でシリンダヘッド下面と近接するス
    キッシュエリアを設けたことを特徴とする請求項２また
    は３記載の筒内噴射式エンジン。
  5. 【請求項５】 上記キャビティの形状を、平面視でイン
    ジェクタと点火プラグとを結ぶ直線と直交する方向に長
    径を有する楕円形状としたことを特徴とする請求項２乃
    至４のいずれかに記載の筒内噴射式エンジン。
  6. 【請求項６】 上記キャビティにおいてインジェクタに
    対向する部分の壁面を、圧縮行程中の筒内圧力の変化に
    応じて燃料噴霧の指向位置が変化する範囲にわたり、平
    面視で一定曲率の円弧状としたことを特徴とする請求項
    ５記載の筒内噴射式エンジン。
  7. 【請求項７】 キャビティにおいてインジェクタに対向
    する部分の、平面視で一定曲率の円弧状の壁面を、その
    曲率中心がインジェクタの噴口よりも所定量だけ燃焼室
    中央寄りとなるように形成したことを特徴とする請求項
    ６記載の筒内噴射式エンジン。
  8. 【請求項８】 ピストンの上面に形成された凹状のキャ
    ビティと、燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、
    上記キャビティの近傍で、かつ平面視でインジェクタに
    対向する位置に配置された点火プラグとを備え、圧縮行
    程で上記インジェクタから上記キャビティへ向けて燃料
    を噴射して、上記点火プラグ周りに混合気を偏在させる
    ようにした筒内噴射式エンジンにおいて、燃焼室内にス
    ワールを生成するスワール生成手段を備えるとともに、
    圧縮行程の中で筒内圧力が低いときは上記インジェクタ
    から噴射される燃料噴霧が点火プラグから外れた方向に
    向かい、筒内圧力が高くなるにつれスワールにより上記
    燃料噴霧の方向が変えられて点火プラグに指向するよう
    に、インジェクタの燃料噴射方向、燃料貫徹力及びスワ
    ール比を設定したことを特徴とする筒内噴射式エンジ
    ン。
  9. 【請求項９】 ピストンの上面に形成された凹状のキャ
    ビティと、燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、
    上記キャビティの近傍で、かつ平面視でインジェクタに
    対向する位置に配置された点火プラグとを備え、圧縮行
    程で上記インジェクタから上記キャビティへ向けて燃料
    を噴射して、上記点火プラグ周りに混合気を偏在させる
    ようにした筒内噴射式エンジンにおいて、燃焼室内にタ
    ンブルを生成するタンブル生成手段を備えるとともに、
    圧縮行程の中で筒内圧力が低いときは上記インジェクタ
    から噴射される燃料噴霧がキャビティ内の点火プラグに
    対応する位置に指向し、筒内圧力が高くなるにつれタン
    ブルにより上記燃料噴霧が点火プラグから外れた方向に
    向けられるように、インジェクタの燃料噴射方向、燃料
    貫徹力及びタンブル比を設定したことを特徴とする筒内
    噴射式エンジン。
  10. 【請求項１０】 ピストンの上面に形成された凹状のキ
    ャビティと、燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタ
    と、上記キャビティの近傍で、かつ平面視でインジェク
    タに対向する位置に配置された点火プラグとを備え、圧
    縮行程で上記インジェクタから上記キャビティへ向けて
    燃料を噴射して、上記点火プラグ周りに混合気を偏在さ
    せるようにした筒内噴射式エンジンにおいて、燃焼室内
    にタンブルを生成するタンブル生成手段を備えるととも
    に、圧縮行程の中で筒内圧力が低いときは上記インジェ
    クタから噴射される燃料噴霧が点火プラグから外れた方
    向に向かい、筒内圧力が高くなるにつれスワールにより
    上記燃料噴霧の方向が変えられてキャビティ内の点火プ
    ラグに対応する位置に指向するように、インジェクタの
    燃料噴射方向、燃料貫徹力及びタンブル比を設定したこ
    とを特徴とする筒内噴射式エンジン。
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