JP2001207854A - 火花点火式往復動型エンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 相対的に低負荷側かつ低回転側の設定運転領
域（イ）（ロ）にあるときに、インジェクタ１２により
燃料を、気筒２の圧縮行程で燃焼室６に直接、噴射さ
せ、燃焼室６の平均的な空燃比が理論空燃比よりもリー
ンな状態で成層燃焼させるようにした火花点火式往復動
型エンジン１において、その成層燃焼状態で大きくなる
逆トルクの低減を図り、燃費をさらに改善する。 【解決手段】 エンジン１の気筒中心線ｚとクランク軸
１７の軸心ｘとを、該クランク軸１７の軸心ｘに沿って
見て、クランク軸１７と気筒２との中間位置において気
筒中心線ｚがクランク軸１７の回転方向についてクラン
ク軸心ｘよりも後側に位置するように、オフセットさせ
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、気筒内燃焼室に臨
む点火プラグによって混合気に着火させるようにした火
花点火式往復動型エンジンに関し、特に、クランク軸心
と気筒中心線とを交差しないように偏位させたいわゆる
オフセットクランク構造の技術分野に属する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種のオフセットクランク
構造として、例えば特開平７−１５０９６９号公報に開
示されるように、ピストンと気筒内周面との間の摩擦損
失を減少させることを目的としたものがある。すなわ
ち、クランク軸心が気筒中心線上に位置する一般的なエ
ンジンでは、クランク軸の上死点位置が気筒の上死点位
置（ＴＤＣ）と一致し、この位置でコンロッドが気筒中
心線に略平行になるが、前記従来例のオフセットクラン
ク構造では、図１４に模式的に示すように、気筒中心線
ｚをクランク軸ａの回転方向進み側にずらすことで（以
下、正オフセットともいう）、気筒ｂの膨張行程で燃焼
圧力が最大になるときに、同図に破線で示すように、コ
ンロッドｃが気筒中心線ｚに略平行になるようにし、こ
のことで、気筒ｂ内周面とピストンｄとの間のサイドフ
ォースを減少させるようにしている。

【０００３】また、そのようなクランク軸の正オフセッ
ト構造により、機構学的にはＴＤＣ前のピストン上昇速
度が高まる一方、ＴＤＣ後のピストン下降速度は低下す
ることになるが、従来の火花点火式往復動型エンジンで
は通常、図８に破線で示すように、燃焼による熱発生の
ピークがＴＤＣよりも遅角側に現れるので、前記のよう
にピストンの下降速度が低下すれば、結果的に、燃焼室
容積が小さいうちに熱発生が進行して、気筒内圧が十分
に高まることになり、これにより、等容度が増大したの
と同様に機械効率が改善される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、エン
ジンの気筒内燃焼室に臨むようにインジェクタ（燃料噴
射弁）を設けて、該インジェクタにより燃料を気筒の圧
縮行程中期以降で燃焼室に直接、噴射させることによ
り、燃料噴霧を点火プラグの周囲に偏在する状態で燃焼
させるという成層燃焼の技術が実用化された。この成層
燃焼状態では、燃焼室の平均的な空燃比は極めてリーン
な状態としながら（例えば、Ａ/Ｆ＝３０くらい）、点
火プラグの周囲にリッチな混合気を偏在させて、良好な
着火性を確保できるので、エンジンの冷却損失や吸気損
失が大幅に低減し、特に自動車用エンジンの常用運転領
域である低負荷側ないし低回転側の運転領域において、
著しい燃費改善が図られる。

【０００５】しかし、前記成層燃焼状態では、燃料噴霧
が点火プラグの近傍に適切に成層化したときに点火を行
う必要があり、このためには点火時期を均一燃焼状態に
比べて進角側とせざるを得ないのが実状である。しか
も、点火プラグ近傍のリッチな混合気部分では火炎伝播
が極めて速いため、均一燃焼状態に比べて熱発生の立ち
上がりが急峻になり、早期にピークを迎える傾向があ
る。従って、成層燃焼状態では、前記図８に実線で示す
ように熱発生のピークがＴＤＣよりも進角側に現れて、
エンジンの回転方向と反対の回転力（逆トルク）が増加
するという不具合がある。

【０００６】この逆トルクの観点から前記従来例のよう
な正オフセット構造を見ると、この構造では上述の如く
ＴＤＣ前のピストン速度が高くなるので、結果として、
熱発生のピーク付近で高い燃焼圧に抗して上昇するピス
トンの移動距離が長くなってしまい、このことによって
ピストンの受ける負の仕事量が増大するので、逆トルク
が一層、大きくなる。つまり、正オフセット構造には、
成層燃焼時の逆トルクの増大というデメリットが助長さ
れるという不具合がある。

【０００７】本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので
あり、その目的とするところは、少なくとも低負荷低回
転領域で例えば成層燃焼状態とされ、熱発生率が気筒の
圧縮上死点よりも進角側でピークとなるような火花点火
式往復動型エンジンにおいて、クランク軸及び気筒の配
置構成に工夫を凝らし、成層燃焼状態での逆トルクを低
減して、燃費のさらなる改善を図ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の解決手段では、機構学的に気筒の上死点前
のピストン速度が低下するように、気筒中心線（気筒中
心を通ってピストンの往復動方向に延びる線）とクラン
ク軸の軸心とをずらして配置した。

【０００９】具体的に、請求項１の発明では、少なくと
も低負荷低回転領域を含む設定運転領域にあるときに、
混合気を点火プラグの周囲に成層化させて、気筒内燃焼
室の平均的な空燃比が理論空燃比よりもリーンな状態で
成層燃焼させるようにした火花点火式往復動型エンジン
を前提とする。そして、クランク軸の軸心に沿って見た
とき、該クランク軸と気筒との中間位置において、気筒
中心線が、該気筒中心線に平行でかつ前記クランク軸の
軸心を通過するクランク軸心通過線に対し、該クランク
軸の回転方向遅れ側にオフセットした構成とする。尚、
この構成では、クランク軸の軸心と気筒中心線との位置
関係が従来例の如き正オフセットとは反対なので、以
下、この構成を逆オフセットともいう。

【００１０】そして、前記構成によれば、逆オフセット
とすることで、オフセットしていないものや正オフセッ
ト構造のものに比べて、機構学的に気筒の上死点前のピ
ストン上昇速度が低下することになり、成層燃焼状態で
気筒の上死点前にピストンが高い燃焼圧を受けながら移
動する距離が短縮されるので、負の仕事を減らして、逆
トルクを低減することができる。これにより、成層燃焼
状態における燃費のさらなる改善が図られる。

【００１１】請求項２の発明では、燃焼室に燃料を直
接、噴射する燃料噴射弁と、設定運転領域の高負荷ない
し高回転側において、前記燃料噴射弁により燃料を気筒
の圧縮行程で複数回に分けて噴射させる制御手段とを設
ける構成とする。すなわち、一般的に、燃焼室に燃料を
直接、噴射する燃料噴射弁を設けて、成層燃焼状態での
運転を可能としたエンジンであっても、燃料噴射量の相
対的に多い運転状態では、この多量の燃料を適切に成層
化させることが難しくなり、燃焼状態が悪化する虞れが
あるので、そうなる前に通常は均一燃焼状態に切換えて
運転される。

【００１２】これに対し、前記の構成では、制御手段に
よる燃料噴射弁の作動制御によって、成層燃焼状態の運
転領域の高負荷ないし高回転側、即ち相対的に燃料噴射
量が多くなるときに、燃料噴射弁により燃料を気筒の圧
縮行程で複数回に分けて噴射させることで、燃料噴射量
が多くてもその燃料を適度に分散させて、点火プラグ周
囲に成層化させることができる。このことで、エンジン
の負荷状態と回転数とで規定される全運転領域におい
て、成層燃焼状態の運転領域を拡大して、請求項１の発
明による作用効果をより広い運転領域で得ることが可能
になり、よって、エンジンの運転中に全体として燃費を
一層、改善することができる。

【００１３】請求項３の発明では、燃焼室にその周縁部
から燃料を直接、噴射する燃料噴射弁と、該燃焼室にタ
ンブル流を生成するタンブル流生成手段とを設け、前記
燃料噴射弁による燃料の噴射方向を、気筒の圧縮行程中
期のタンブル流と対向するように設定するものとする。

【００１４】このことで、気筒の圧縮行程中期に燃料噴
射弁により燃焼室に向かってその周縁部から燃料が噴射
され、この燃料噴霧が対向するタンブル流に衝突して、
噴霧の微粒化や分散、或いは空気との混合が促進される
とともに、燃料噴霧の貫徹力が弱められて、噴霧が点火
プラグの周囲に適切に成層化される。

【００１５】請求項４の発明では、燃焼室にその周縁部
から燃料を直接、噴射する燃料噴射弁を設けるととも
に、点火プラグを先端部が燃焼室に突出するように配置
する。そして、前記燃料噴射弁による燃料の噴射方向
を、前記点火プラグの先端部へ向かうように設定するも
のとする。このことで、燃料噴射弁により噴射された燃
料は、周囲の空気と混合しかつ気化霧化しながら、燃焼
室に突出する点火プラグの先端部に向かって移動し、該
点火プラグの周囲に適切に成層化される。

【００１６】請求項５の発明では、燃焼室に臨むピスト
ンの頂面に向かって燃料を直接、噴射する燃料噴射弁を
設けるとともに、該ピストンの頂面に、噴射された燃料
を点火プラグに向かうように指向させるガイド壁部を形
成するものとする。このことで、燃料噴射弁によりピス
トンの頂面に向かって噴射された燃料は、周囲の空気と
混合しかつ気化霧化しながら、ピストン頂面のガイド壁
部によって点火プラグの方へ指向され、該点火プラグの
周囲に適切に成層化される。

【００１７】請求項６の発明では、請求項３又は４のい
ずれかの発明において、クランク軸心に沿って見て、ク
ランク軸心通過線と気筒中心線との間のオフセット量を
ｄとし、また、クランク軸の回転半径をｒとして、オフ
セット割合ｄ/ｒを、 ０．０５≦ｄ/ｒ≦０．３ とい
う関係を満たすように設定するものとする。

【００１８】このことで、オフセット割合ｄ/ｒ≧０．
０５とすることで、機構学的に気筒の上死点前のピスト
ン速度を十分に低下させて、請求項１の発明による作用
効果を十分に得ることができる。反面、オフセット割合
ｄ/ｒが大きいほど、ピストンと気筒内周面との間のサ
イドフォースが大きくなって、摩擦損失が増大するの
で、それらの得失を考慮して、オフセット割合ｄ/ｒ
は、ｄ/ｒ≦０．３とするのが好ましい。

【００１９】請求項７の発明では、請求項５において、
クランク軸心に沿って見て、クランク軸心通過線と気筒
中心線との間のオフセット量をｄとし、また、クランク
軸の回転半径をｒとして、オフセット割合ｄ/ｒを、
０．０５≦ｄ/ｒ≦０．２という関係を満たすように設
定するものとする。

【００２０】このことで、請求項６の発明と同様に、サ
イドフォースによる摩擦損失の増大を抑制しながら、請
求項１の発明による作用効果を十分に得ることができ
る。但し、請求項５の発明では、ピストン頂面に設けた
ガイド壁部により燃料噴霧を指向させて、成層化させる
ようにしており、このガイド壁部の大きさをあまり大き
くはできないことから、成層化できる燃料の量が比較的
少なくなる。このため、請求項５の発明では請求項３や
請求項４の発明に比べて、成層燃焼状態の運転領域を狭
くせざるを得ず、従って、エンジンの全運転領域で見た
ときには、成層燃焼時の逆トルク低減による燃費改善効
果が相対的に小さくなる一方、サイドフォースによる摩
擦損失増大の弊害が相対的に大きくなる。そこで、この
場合には、オフセット割合ｄ/ｒをｄ/ｒ≦０．２と相対
的に小さく設定するのが好ましい。

【００２１】請求項８の発明では、請求項３〜５のいず
れか１つの発明において、燃料噴射弁による燃料の噴射
圧力を調節する噴射圧調節手段を設けるものとする。こ
うすることで、燃料噴射弁による燃料の噴射量や噴射時
期等に応じて、その噴射圧力を噴射圧調節手段により調
節することができ、これにより、エンジンの運転状態に
応じて、最適な燃料噴霧形成が可能になる。

【００２２】請求項９の発明では、少なくとも低負荷低
回転領域を含む設定運転領域にあるときに、気筒の圧縮
上死点よりも進角側に熱発生率のピークが現れるよう
に、混合気を燃焼させるようにした火花点火式往復動型
エンジンを前提とする。そし、クランク軸の軸心に沿っ
て見たとき、該クランク軸と気筒との中間位置におい
て、気筒中心線が、該気筒中心線に平行でかつ前記クラ
ンク軸の軸心を通過するクランク軸心通過線に対し、該
クランク軸の回転方向遅れ側にオフセットした構成とす
る。

【００２３】前記の構成により、成層燃焼状態に限ら
ず、それ以外の燃焼状態であっても、熱発生率が気筒の
圧縮上死点位置よりも進角側でピークとなるような場合
には、請求項１の発明と同様に気筒の上死点前のピスト
ン速度を低下させることで、エンジンの逆トルクを低減
して、燃費を改善することができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基いて説明する。

【００２５】（実施形態１）図１は、本発明の実施形態
１に係る火花点火式往復動型エンジン１の主要部の概略
構成を示す。このエンジン１は、例えば、複数の気筒２
（１つのみ図示する）が列状に設けられたシリンダブロ
ック３と、このシリンダブロック３上に配置されたシリ
ンダヘッド４とを有し、該各気筒２内にピストン５が図
の上下方向に往復動可能に嵌挿されている。また、前記
シリンダヘッド４の下面には、各気筒２に対応する位置
にそれぞれ凹陥部４ａが形成されていて、この凹陥部４
ａとピストン５頂面と気筒２内周面とによって、燃焼室
６が区画されている。詳しくは、前記シリンダヘッド４
の凹陥部４ａは略中央部からシリンダヘッド４の下端面
付近まで延びる２つの傾斜面からなり、燃焼室６は該２
つの傾斜面が互いに差し掛けられた屋根のような形状を
なすいわゆるペントルーフ型のものである。また、前記
シリンダヘッド４の凹陥部４ａに対向するピストン５の
頂面には、球面状の凹部５ａが設けられ、この凹部５ａ
の周囲とシリンダヘッド４の凹陥部４ａとの間にスキッ
シュエリアが形成されるようになっている。

【００２６】前記シリンダヘッド４の２つの傾斜面４ａ
には、それぞれ吸気及び排気ポート７，８が２つずつ開
口していて、その各ポート開口端に吸気及び排気弁９，
９，１０，１０が配設されている。この吸気及び排気弁
９，１０は、図２にも示すように、各気筒２毎にそれぞ
れ２つずつ合計４つが平面視で気筒中心線ｚを取り囲む
ように配置されており、それら４つの弁９，１０，…に
囲まれて、点火プラグ１１がその先端部を気筒中心線ｚ
よりもやや排気側で燃焼室６に臨ませるように配設され
ている。また、前記２つの吸気ポート７，７は、それぞ
れ燃焼室６から図の右斜め上方に直線的に延びるストレ
ートポートとされ、吸気上流側に向かって気筒中心線ｚ
から離れるように形成されて、エンジン１の一側面（図
の右側面）に開口している。一方、前記２つの排気ポー
ト８，８は互いに合流して略水平に延び、エンジン１の
他側面（図の左側面）に開口している。

【００２７】また、前記２つの吸気ポート７，７の下方
には、それらに挟まれるようにインジェクタ１２（燃料
噴射弁）が配置されていて、このインジェクタ１２の先
端の噴孔が２つの吸気バルブ９，９の傘部に近接して燃
焼室６の周縁部に臨み、そこから燃焼室６略中央部に向
かって、かつ、ピストン５の方に向かうよう、気筒中心
線ｚに対し傾斜する方向に燃料を噴射するようになって
いる。一方、前記インジェクタ１２の基端部には、全気
筒２，２，…に共通の燃料分配管１３が接続され、この
燃料分配管１３が、図示しないが、燃料供給通路により
高圧燃料ポンプ、高圧プレッシャレギュレータ等からな
る燃料供給系に接続されており、この燃料供給系により
燃料タンク内の燃料が適正な圧力状態に昇圧されて、イ
ンジェクタ１２に供給されるようになっている。この燃
料供給系が、インジェクタ１２による燃料の噴射圧力を
調節する噴射圧調節手段を構成し、インジェクタ１２に
供給される燃料圧力（燃圧）は、例えば図３に示すよう
にエンジン回転数が高くなると、これに略比例して増大
される。

【００２８】さらに、前記図２に示すように、２つの吸
気ポート７，７の双方の上流側には、燃焼室６の吸気流
動状態を調節するためのバタフライバルブからなる吸気
流動調節弁１６，１６が配設され、図示しないアクチュ
エータにより開閉作動されるようになっている。この各
吸気流動調節弁１６の一方の側には所定形状の切欠きが
設けられており、弁１６を閉じたときには吸気が該切欠
きを通過して下流側に流れ、燃焼室６に強いタンブル流
を生成する。一方、弁１６を開くに連れて、吸気は切欠
き以外からも流れるようになり、これによりタンブル流
の強度が調節される。このタンブル流の強度は、例えば
図４に示すようになり、前記のような吸気流動調節弁１
６，１６の開度の制御によって、エンジン１の低回転域
でも所定強度が確保される一方、エンジン回転数が高く
なれば、そのことによって吸気流速が高まるので、タン
ブル強度も自然に大きくなる。

【００２９】一方、前記ピストン５の燃焼室６と反対側
（図１の下側）には、エンジン前後方向（図の紙面に直
交する方向）に延びるように、クランク軸１７が配設さ
れている。このクランク軸１７は、図示しないベアリン
グビーム構造の主軸受部により回転自在に支持されると
ともに、コンロッド１８により前記ピストン５に駆動連
結されている。すなわち、コンロッド１８の小端部１８
ａがピストンピン１９を介してピストン５に回動可能に
連結されている一方、コンロッド１８の大端部１８ｂ
は、ロッド部及びキャップ部の２分割構造とされ、コン
ロッドメタル２０，２０を介してクランクピン１７ａに
回動可能に連結されている。これにより、ピストン５が
燃焼室６のガス圧力を受けて往復動すると、この運動が
コンロッド１８によりクランク軸１７に伝えられて、図
に矢印で示すようにクランク軸１７が図の時計回り方向
に回転される。

【００３０】そして、気筒２の吸気行程でピストン５が
下降するときには、図５に示すように、吸気ポート７の
上流側から下流側に流れた吸気が開状態の吸気弁９の傘
部と吸気ポート７の開口端との間隙から燃焼室６へ流入
し、この吸気流により図に矢印で示すようにタンブル流
Ｔが生成される。詳しくは、ピストン５の下降によって
燃焼室６へ吸い込まれる吸気は、主に吸気ポート７の開
口端の点火プラグ１１寄りから燃焼室６へ流れ込む。そ
して、ピストン５のさらなる下降に伴い、排気側（図の
左側）の気筒内周面に沿うように下方に向かい、その
後、ピストン５頂面に沿って吸気側（図の右側）へ曲げ
られて、そこからさらに上方に向かって、燃焼室６全体
に亘って旋回するタンブル流Ｔとなる。

【００３１】続いて、気筒２が吸気行程から圧縮行程に
移行すると、前記タンブル流Ｔはピストン５の上昇によ
る燃焼室６容積の減少とともに崩壊しかつコンパクトに
なって、徐々に弱まるものの、図１に示すように、タン
ブル流Ｔは圧縮行程中期になっても存在し、このとき
に、ピストン５頂面においてインジェクタ１２による燃
料の噴射方向に対向して流れるようになる。そして、さ
らなるピストン５の上昇に伴い、タンブル流Ｔはほぼ完
全に崩壊し、これに伴い、燃焼室６に強い乱れが生成さ
れる。

【００３２】（エンジンの運転状態による燃料噴射制
御）上述の如き構成のエンジン１には、その負荷状態を
検出するための負荷状態検出手段２２と、エンジン回転
数を検出するためのクランク角センサ２３とが配設され
ている。この負荷状態検出手段２２は、例えば、図示し
ない車両の運転者によるアクセルペダルの操作量を検出
するセンサや、スロットル弁の開度を検出するセンサ、
吸入空気量を検出するセンサ等を有し、これらのセンサ
出力に基づいて、エンジン１の負荷状態として例えば正
味平均有効圧を算出するものである。また、クランク角
センサ２３は、クランク軸７の端部に配設されたプレー
ト部材（図示せず）の外周に相対向するように配置さ
れ、該プレート部材の外周部に形成された突起部の通過
に対応して、パルス信号を出力する電磁式のものであ
る。

【００３３】そして、前記負荷状態検出手段２２及びク
ランク角センサ２３からの出力信号がエンジンコントロ
ールユニット２４（制御手段：以下、ＥＣＵという）に
入力される一方、このＥＣＵ２４からインジェクタ１２
に対して制御信号（パルス信号）が出力され、これによ
り、エンジン負荷及びエンジン回転数に応じて、ＥＣＵ
２４によりインジェクタ１２の作動制御が行われる。具
体的には、図６に一例を示すように、エンジン１の温間
時には低負荷側かつ低回転側の設定運転領域（図に斜線
を入れて示す領域）が成層燃焼領域とされ、図７(a)，
(b)にそれぞれ示すように、インジェクタ１２により気
筒２の圧縮行程で燃料を噴射させて、点火プラグ１１の
近傍に混合気を成層化させて燃焼させる状態になる。こ
の成層燃焼状態ではエンジン１の吸気損失を低減するた
めにスロットル弁の開度を相対的に大きくするようにし
ており、このときの燃焼室６の平均的な空燃比は理論空
燃比よりもリーンな状態になる。

【００３４】詳しくは、前記設定運転領域の内の低負荷
ないし低回転側の領域（イ）では、インジェクタ１２に
より気筒２の圧縮行程中期以降に燃料を一括して噴射さ
せる。この噴射燃料は燃焼室６の周縁部から略中央部に
向かって移動しながら、周囲の空気と混合されかつ気化
霧化されて、図１に示すように、ちょうどピストン５頂
面の凹部５ａ内でタンブル流Ｔと衝突する。この衝突に
より燃料噴霧の微粒化や分散、或いは空気との混合が促
進されるとともに、この燃料噴霧はその貫徹力が適度に
弱められて、点火プラグ１１の周囲に適切に成層化され
る。この際、上述の如く、エンジン回転数が高いほどタ
ンブル流の強度が大きくなるとともに、燃料の噴射圧も
高くなるので、エンジン１の運転状態によらず、燃料噴
霧の適切な成層化が図られる。

【００３５】また、前記設定運転領域の内の高負荷かつ
高回転側の領域（ロ）では、図７(b)に示すように、イ
ンジェクタ１２により気筒２の圧縮行程前期及び中期に
それぞれ燃料が噴射される。このことで、前記の如く気
筒２の圧縮行程中期以降に噴射された燃料噴霧がタンブ
ル流Ｔと衝突して点火プラグ１１の周囲に適切に分散す
るとともに、その前に気筒２の圧縮行程前期に噴射され
た燃料噴霧がより広い範囲に分散し、この２つの燃料噴
霧が一体となって層状に分布する。つまり、燃料噴射量
が相対的に多くても、その燃料を２回に分割して噴射す
ることで、燃料噴霧の適切な成層化が図られ、これによ
り、相対的に高負荷高回転側の領域（ロ）でもエンジン
１を成層燃焼状態で運転することができる。言い換える
と、この実施形態では、相対的に高負荷高回転側の領域
（ロ）においてインジェクタ１２により燃料を気筒２の
圧縮行程で分割して噴射させることにより、成層燃焼領
域の拡大が図られている。

【００３６】さらに、前記設定運転領域以外の領域
（ハ）は、均一燃焼領域とされており、図７(c)に示す
ように、インジェクタ１２により気筒２の吸気行程で燃
料を噴射させて吸気と十分に混合し、燃焼室６に均一な
混合気を形成した上で燃焼させる燃焼状態になる。この
均一燃焼状態では、大部分の運転領域において混合気の
空燃比が略理論空燃比（Ａ/Ｆ＝１４．７、λ＝１）に
なるように、燃料噴射量やスロットル開度等が制御され
るが、特に全負荷運転状態では、空燃比を理論空燃比よ
りもリッチな状態（例えばＡ/Ｆ＝１３〜１４）に制御
することで、高負荷に対応した大出力が得られるように
なっている。

【００３７】そして、本発明の特徴は、前記のようなエ
ンジン１の成層燃焼状態において、混合気の燃焼による
熱発生率のピークがＴＤＣよりも進角側に現れることに
着目し、このＴＤＣ前の燃焼による逆トルクの増大をで
きるだけ抑えるために、各気筒２の中心をクランク軸１
７の回転方向遅れ側にずらして配置したことにある。以
下、この点について詳細に説明する。

【００３８】まず、エンジンの点火時期と燃焼状態につ
いて説明すると、一般的に、混合気が均一燃焼状態とさ
れているときの熱発生率は図８に破線で示すようにな
り、いわゆるＭＢＴ（Minimum Advance for the Best T
orque）以降の所定クランク角（例えば、ＢＴＤＣ３５
〜１５°ＣＡ）で点火したとして、この点火時期を相対
的に進角側又は遅角側のいずれに設定していても、熱発
生率のピークはＴＤＣ後に現れるようになる。この際、
点火時期を進角させるほどピーク時の熱発生率が大きく
なり、燃焼期間も短くなって良好な燃焼状態となるが、
反面、ＴＤＣ前の熱発生割合が大きくなるので、逆トル
クが増加する。一方、点火時期を遅角させれば逆トルク
は減少するが、燃焼状態が悪化して熱発生のピークが低
くなり、燃焼期間も長くなってしまう。

【００３９】そこで、良好な燃焼性を確保しながら逆ト
ルクを低減して、エンジンの出力及び燃費性能を最良と
することのできる点火時期が前記ＭＢＴとして決定さ
れ、さらに、エミッション特性等も考慮して、実際の点
火時期はＭＢＴよりも遅角側に設定される。このよう
に、均一燃焼状態では熱発生率のピークがＴＤＣ後に現
れるものなので、従来例の如きオフセットクランク構造
（正オフセット）によって、機構学的にＴＤＣ後のピス
トンの下降速度を低下させるようにすれば、このこと
は、燃焼室の容積が小さいうちに熱発生が進行して気筒
内圧が十分に高まること、すなわち、等容度が増大した
のと同様に機械効率が改善されることを意味する。

【００４０】これに対し、成層燃焼状態では、燃焼によ
る熱発生の時期が全体として進角側にずれて、前記図８
に実線で示すように、熱発生のピークはＴＤＣよりも進
角側に現れるようになる。これは、成層燃焼状態では上
述の如く燃料噴霧が点火プラグの近傍に適切に成層化し
たときに点火を行う必要があり、これよりも点火時期が
遅れると、混合気が過度に拡散して燃焼状態が急速に悪
化するので（図に仮想線で示す）、点火時期を均一燃焼
状態に比べて進角側とせざるを得ないからである。しか
も、成層燃焼状態では点火プラグ近傍のリッチな混合気
部分で火炎伝播が極めて速くなり、熱発生の立ち上がり
が急峻になるので、このことによっても熱発生率のピー
クが進角側にずれる。

【００４１】そして、そのようにＴＤＣ前の熱発生の割
合が大きくなる結果、前記従来例のような正オフセット
構造のものでは逆トルクが著しく増加してしまう。すな
わち、正オフセット構造では機構学的にＴＤＣ前のピス
トン速度が高くなるが、このことは同じクランク角に対
するピストンの移動距離が相対的に長くなるということ
であり、成層燃焼状態のように熱発生のピークがＴＤＣ
前に現れるような燃焼状態では、その燃焼による高い圧
力に抗して上昇するピストンの移動距離が長くなって、
ピストンの受ける負の仕事量が大幅に増大し、逆トルク
が極めて大きくなってしまうのである。尚、前記図８に
示される熱発生率の特性から明らかなように、均一燃焼
状態ではＴＤＣ前の熱発生率はあまり大きくはならない
ので、逆トルクの増大はあまり問題にならない。

【００４２】そこで、前記のような成層燃焼状態におけ
る逆トルク増大の問題に対応するために、この実施形態
では従来例とは反対に、エンジン１の気筒中心線ｚをク
ランク軸心ｘに対してクランク軸１７の回転方向遅れ側
にずらす逆オフセット構造とすることで、ＴＤＣ前のピ
ストン速度を低下させるようにした。具体的には、前記
図１に示すように、クランク軸１７の軸心ｘに沿って見
たとき、該クランク軸１７と気筒２との中間位置（図で
はクランク軸１７の上側）において、気筒中心線ｚは、
該気筒中心線ｚに平行でかつ前記クランク軸１７の軸心
ｘを通過するクランク軸心通過線Ｌに対し、該クランク
軸１７の回転方向遅れ側（図の左側）にオフセットされ
ている。

【００４３】この逆オフセット構造を模式的にかつ誇張
して図９に示すと、同図(b)に実線で示すように、ピス
トンピン１９の中心とクランクピン１７ａの中心とクラ
ンク軸心ｘとが一直線上に位置するときに、ピストン５
がＴＤＣに位置づけられて、燃焼室６の容積が最小にな
る。また、ＴＤＣに対しクランク軸１７が進角側及び遅
角側にそれぞれ９０°ＣＡ回転変位した位置（ＢＴＤＣ
９０°ＣＡ、ＡＴＤＣ９０°ＣＡ）で見ると、ピストン
ピン１９の位置、即ちピストン５の位置は、ＴＤＣより
も進角側の方が遅角側に比べて低くなる。従って、仮に
クランク軸１７が略一定の速度で回転すると、ピストン
５の軌跡は同図(a)に実線で示すようになり、機構学的
に、ＴＤＣ前のピストン速度が相対的に小さくなる一
方、ＴＤＣ後のピストン速度が相対的に大きくなるので
ある。

【００４４】このような逆オフセット構造により、ＴＤ
Ｃ前後でのピストン５の位置（ピストンピン位置）は、
前記図９(a)に実線で示すようになり、同図に仮想線で
示す正オフセット構造のものや、図示しないがオフセッ
トしないもの（気筒中心線ｚ上にクランク軸心ｘが位置
するもの）に比べて、ＴＤＣ前の同じクランク角変化に
対するピストンの移動距離が短くなる。すなわち、ＴＤ
Ｃ前の熱発生率が大きい成層燃焼状態において、その燃
焼圧に抗して上昇するピストン５の移動距離が短縮さ
れ、ピストン５の受ける負の仕事量が減少するので、エ
ンジン１の逆トルクを低減することができる。

【００４５】また、前記の逆オフセット構造において
は、オフセットの度合いが大きいほど、機構学的にＴＤ
Ｃ前のピストン上昇速度を大きく低下させて、逆トルク
を減少させることができる。すなわち、前記図１に示す
ようにクランク軸心ｘに沿って見て、クランク軸心通過
線Ｌと気筒中心線ｚとの間のオフセット量をｄとし、ま
た、クランク軸１７の回転半径（クランク軸心ｘからク
ランクピン１７ａの中心までの距離）をｒとしたとき、
オフセット割合ｄ/ｒは少なくとも、ｄ/ｒ≧０．０５で
あることが好ましい。

【００４６】その反面、オフセット割合ｄ/ｒが大きい
ほど、ピストン５と気筒２内周面との間のサイドフォー
スが大きくなって、摩擦損失が増大するので、それらの
得失を考慮すれば、オフセット割合ｄ/ｒはあまり大き
くしない方が良い。このため、この実施形態では、エン
ジン１の機械損失の増大を抑えながら、成層燃焼時の逆
トルクを低減して、燃費を改善するべく、前記オフセッ
ト割合ｄ/ｒを、０．０５≦ｄ/ｒ≦０．３という関係を
満たすように設定している。

【００４７】したがって、この実施形態に係る火花点火
式往復動型エンジン１によると、エンジン１が相対的に
低回転側かつ低負荷側の設定運転領域（イ）（ロ）にあ
るとき、気筒２内燃焼室６に臨むインジェクタ１４によ
り燃料を気筒２の圧縮行程で噴射させて、良好な成層燃
焼状態とすることで、冷却損失や吸気損失を低減させ
て、燃費を大幅に改善することができる。

【００４８】また、上述したオフセットクランク構造
（逆オフセット）により、機構学的にＴＤＣ前のピスト
ン速度を低下させて、ピストンへの負の仕事を相対的に
減少させることで、ＴＤＣ前の熱発生率の大きい成層燃
焼状態にあって、そのＴＤＣ前の熱発生による逆トルク
を十分に低減して、燃費をさらに改善することができ
る。

【００４９】しかも、前記設定運転領域の内、燃料噴射
量の相対的に多い高負荷高回転側の領域（ロ）におい
て、インジェクタ１２により燃料を２回に分割して噴射
させることで、燃料噴霧の良好な成層化を可能ならし
め、全運転領域に占める成層燃焼領域の割合を拡大して
おり、このことで、車両の走行中にエンジン１を成層燃
焼状態で運転する時間を相対的に長くすることができる
ので、前記の作用効果を実質的に高めて、エンジン１の
運転中に全体として燃費を一層、改善することができ
る。

【００５０】尚、前記のような燃料の２分割噴射は、高
負荷高回転側の領域（ロ）だけではなく、設定運転領域
の内の高負荷側の領域、高回転側の領域、又は高負荷側
ないし高回転側の領域において行うようにしてもよい。
また、燃料噴射の分割回数は２回に限らず、例えば３回
以上としてもよい。

【００５１】或いは、前記のような分割噴射は行わず
に、運転領域（イ）（ロ）のいずれにおいても燃料を気
筒２の圧縮行程中期以降で一括して噴射させるようにす
ることも可能である。

【００５２】（変形例１）前記実施形態では、エンジン
１を成層燃焼状態で運転するときに、燃料噴霧を点火プ
ラグ１１の周囲に適切に成層化させるために、図１に示
す如く、インジェクタ５による燃料の噴射方向を気筒２
の圧縮行程中期のタンブル流Ｔと対向するように設定
し、燃料噴霧をタンブル流Ｔと衝突させるようにしてい
るが、これに限らず、以下に述べる変形例１，２のよう
にしてもよい。尚、この変形例１，２のエンジン１は、
いずれも燃焼室６の構成を除いて、前記実施形態のもの
と同じなので、以下、同一部材には同一の符号を付して
その説明は省略する。

【００５３】そして、変形例１では、例えば図１０及び
図１１に示すように、ピストン５頂面のキャビティ５ａ
を全体として吸気ポート７の側に偏位させるとともに、
該キャビティ５ａの周縁部にインジェクタ１２からの噴
射燃料と衝突するようにガイド壁部５ｂを形成してい
る。このことで、インジェクタ１２からの噴射燃料をガ
イド壁部５ｂに反射させて、点火プラグ１１に向かうよ
うに指向させ、該点火プラグ１１の周囲に燃料噴霧を適
切に成層化させて、良好な成層燃焼状態とすることがで
きる。

【００５４】但し、このようにした場合、インジェクタ
１２による燃料噴射量が多くなると、この燃料を全てガ
イド壁部５ｂに反射させることが難しくなったり、或い
はガイド壁部５ｂへの燃料の付着量が多くなったりし
て、燃料噴霧の適切な成層化が阻害される虞れがある。
このため、この変形例１のエンジン１では、成層燃焼状
態とする運転領域（イ）（ロ）を相対的に狭くせざるを
得ず、結果として、エンジン１の全運転領域で見たとき
に、成層燃焼時の逆トルク低減による燃費改善効果が相
対的に小さくなるとともに、サイドフォースによる摩擦
損失増大の弊害が相対的に大きくなってしまう。従っ
て、この変形例１の場合、エンジン１の全運転領域につ
いての燃費改善のために、前記実施形態に比べてオフセ
ット割合ｄ/ｒを小さめに設定する必要があり、例え
ば、０．０５≦ｄ/ｒ≦０．２とするのが好ましい。

【００５５】（変形例２）次に変形例２では、例えば図
１２に示すように、点火プラグ１１をその先端部が燃焼
室６に突出するように配置するとともに、インジェクタ
１２による燃料の噴射方向を前記点火プラグ１１の先端
部へ向かうように設定している。詳しくは、この変形例
２では、燃焼室６上面に相当するシリンダヘッド４の凹
陥部４ａにおいて、排気ポート８側の略半分がシリンダ
ヘッド４の下端面付近にまで延びる傾斜面とされる一
方、吸気ポート７側の略半分は気筒中心線ｚに略垂直に
拡がる水平面とされ、さらに、該水平面とシリンダヘッ
ド４の下端面との間が縦壁部とされていて、燃焼室６の
縦断面形状が略台形となっている。

【００５６】また、インジェクタ１２は、その先端の噴
孔が前記シリンダヘッド４の凹陥部４ａの縦壁部から燃
焼室６に臨んでいて、そこから前記点火プラグ１１の先
端部に向かって燃料を噴射するようになっている。この
インジェクタ１２としては、噴射燃料に対しスワールを
生じさせるような噴射口形状を有するいわゆるスワール
インジェクタを用いるのが好ましい。この種のスワール
インジェクタは雰囲気圧が高くなるに連れて噴霧の拡が
り角度が狭くなり、気筒内圧の高い圧縮行程中期行に燃
料を噴射するときには、燃料噴霧の拡がり角が例えば３
０°以下と狭くなるので（以下、狭角噴射ともいう）、
燃料噴霧の成層化が容易になる。一方、気筒内圧の低い
吸気行程で燃料を噴射するときには、燃料噴霧の拡がり
角が大きくなるので、空気との混合を促進して、混合気
の均一度を高めることができる。

【００５７】さらに、図１３にも示すように、ピストン
５の頂面には、気筒２の圧縮行程中期以降にインジェク
タ１２から噴射される燃料の付着を低減すべく、この燃
料噴霧を回避するような形状のリセス５ｃが設けられて
いる。すなわち、このリセス５ｃは、インジェクタ１２
からの燃料噴射方向の前側ほど深くなるように、底部が
斜めに形成されるとともに、気筒中心線ｚに沿って見る
と、前記燃料噴射方向に直交する方向の幅がインジェク
タ１２の狭角噴射時の燃料噴霧幅よりも大きく、かつ該
燃料噴霧の拡がりに見合うように、噴射方向前側ほど幅
広とされている。尚、前記リセス５ｃの形成に伴う燃焼
室容積の変化を相殺するように、ピストン５頂面の吸気
側には突出部５ｄが設けられている。

【００５８】そして、この変形例２では、気筒２の圧縮
行程中期以降における前記インジェクタ１２の先端部か
ら対向する燃焼室６の端部であるリセス５ｃの最底部ま
での距離が、燃料噴射から点火時期まで間のの燃料噴霧
の到達距離よりも長くなるように設定されている。ま
た、インジェクタ１２の先端から点火プラグ１１までの
距離は、前記燃料噴霧の到達距離よりも短くなるように
設定されている。このことで、前記インジェクタ１２の
噴孔から噴出した燃料は、周囲の空気と混合しかつ気化
霧化しながら、燃焼室６に突出する点火プラグ１１の先
端部に向かって移動し、この点火プラグ１１による点火
の時点でその周囲に適切に成層化されるようになる。つ
まり、気筒２内周面への燃料の付着を軽減しながら、燃
料噴霧を適切に成層化させて、前記実施形態と同様に良
好な成層燃焼状態とすることができる。

【００５９】

【発明の効果】以上、説明したように、請求項１記載の
発明における火花点火式往復動型エンジンによると、気
筒中心線をクランク軸の回転方向遅れ側にオフセットさ
せた逆オフセット構造とすることで、機構学的に、気筒
の上死点前のピストン上昇速度を相対的に低下させ、気
筒の上死点前の燃焼による負の仕事を減らして、逆トル
クを低減することができ、これにより、エンジンが成層
燃焼状態のときの燃費を改善できる。

【００６０】請求項２の発明によると、燃料噴射弁によ
り燃料を気筒の圧縮行程で複数回に分けて噴射させるこ
とで、エンジンを成層燃焼状態とする運転領域を拡大す
ることができ、これにより、請求項１の発明による効果
をより広い運転領域で得て、エンジンの運転中に全体と
して燃費をさらに改善できる。

【００６１】請求項３の発明によると、気筒の圧縮行程
中期に燃料噴射弁から噴射した燃料を対向するタンブル
流に衝突させて、点火プラグの周囲に適切に成層化でき
る。

【００６２】請求項４の発明によると、燃焼室に突出す
る点火プラグの先端部に向かって燃料を噴射して、該点
火プラグの周囲に燃料噴霧を適切に成層化できる。

【００６３】請求項５の発明によると、燃料噴射弁から
噴射した燃料をピストン頂面のガイド壁部により点火プ
ラグに指向させて、該点火プラグの周囲に燃料噴霧を適
切に成層化できる。

【００６４】請求項６の発明によると、請求項３又は４
のいずれかの発明において、クランク軸心通過線及び気
筒中心線のオフセット割合ｄ/ｒを、０．０５≦ｄ/ｒ≦
０．３とすることで、エンジンの摩擦損失の増大を抑え
ながら、逆トルクを低減し、エンジンの運転中に全体と
して最適な燃費改善効果を得ることができる。

【００６５】請求項７の発明によると、請求項５におい
て、クランク軸心通過線及び気筒中心線のオフセット割
合ｄ/ｒを、０．０５≦ｄ/ｒ≦０．２とすることで、請
求項６の発明と同様に、エンジンの運転中に全体として
最適な燃費改善効果を得ることができる。

【００６６】請求項８の発明によると、燃料噴射弁によ
る燃料の噴射圧を調節することで、エンジンの運転状態
の変化によらず、最適な燃料噴霧を形成できる。

【００６７】請求項９の発明によると、熱発生率が気筒
の圧縮上死点位置よりも進角側でピークとなるような燃
焼状態において、請求項１の発明と同様にエンジンの逆
トルクを低減して、燃費を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る火花点火式往復動型エ
ンジンの概略構成図である。

【図２】ピストン頂面、吸気ポート及びインジェクタの
配置を示す概略構成図である。

【図３】燃料噴射圧とエンジン回転数との対応関係の一
例を示す図である。

【図４】タンブル流強度とエンジン回転数との対応関係
の一例を示す図である。

【図５】気筒の吸気行程中期における図１相当図であ
る。

【図６】エンジンを成層燃焼状態又は均一燃焼状態とす
る運転領域をそれぞれ設定した制御マップの一例を示す
図である。

【図７】燃料噴射時期を示すタイムチャート図である。

【図８】成層燃焼状態又は均一燃焼状態のそれぞれにつ
いて、クランク角の変化に対する熱発生率の変化特性を
示すグラフ図である。

【図９】クランク角の変化に対するピストンピン位置の
変化を示す図(a)、及び該ピストンピン、コンロッド、
クランクピン、クランク軸心等の位置関係を模式的に示
す説明図である。

【図１０】本発明の変形例１に係る図１相当図である。

【図１１】変形例１に係る図２相当図である。

【図１２】本発明の変形例２に係る図１相当図である。

【図１３】変形例２に係る図２相当図である。

【図１４】正オフセット構造の従来例に係る図９相当図
である。

【符号の説明】

１ 火花点火式往復動型エンジン ２ 気筒 ５ ピストン ５ｂ ガイド壁部 ６ 燃焼室 ７ 吸気ポート（タンブル流生成手段） ８ 排気ポート １１ 点火プラグ １２ インジェクタ（燃料噴射弁） １５ コントロールユニット（制御手段） １７ クランク軸 Ｌ クランク軸心通過線 ｘ クランク軸心 ｚ 気筒中心線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荒木 啓二 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 AB01 AC05 AD02 AD08 AD14 AG01 AG02 3G066 AA03 AA05 AB02 AD12 BA17 DA04 DA09 DB08 DB09 DB12 DB13 DC01 DC09

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも低負荷低回転領域を含む設定
   運転領域にあるときに、混合気を点火プラグの周囲に成
   層化させて、気筒内燃焼室の平均的な空燃比が理論空燃
   比よりもリーンな状態で成層燃焼させるようにした火花
   点火式往復動型エンジンにおいて、 クランク軸の軸心に沿って見たとき、該クランク軸と気
   筒との中間位置において、気筒中心線が、該気筒中心線
   に平行でかつ前記クランク軸の軸心を通過するクランク
   軸心通過線に対し、該クランク軸の回転方向遅れ側にオ
   フセットしていることを特徴とする火花点火式往復動型
   エンジン。
2. 【請求項２】 請求項１において、 燃焼室に燃料を直接、噴射する燃料噴射弁と、 前記設定運転領域の高負荷ないし高回転側において、前
   記燃料噴射弁により燃料を気筒の圧縮行程で複数回に分
   けて噴射させる制御手段とが設けられていることを特徴
   とする火花点火式往復動型エンジン。
3. 【請求項３】 請求項１において、 燃焼室にその周縁部から燃料を直接、噴射する燃料噴射
   弁と、 前記燃焼室にタンブル流を生成するタンブル流生成手段
   とが設けられ、 前記燃料噴射弁による燃料の噴射方向は、気筒の圧縮行
   程中期のタンブル流と対向するように設定されているこ
   とを特徴とする火花点火式往復動型エンジン。
4. 【請求項４】 請求項１において、 燃焼室にその周縁部から燃料を直接、噴射する燃料噴射
   弁が設けられ、 点火プラグは、先端部が燃焼室に突出するように配置さ
   れ、 前記燃料噴射弁による燃料の噴射方向は、前記点火プラ
   グの先端部へ向かうように設定されていることを特徴と
   する火花点火式往復動型エンジン。
5. 【請求項５】 請求項１において、 燃焼室に臨むピストンの頂面に向かって燃料を直接、噴
   射する燃料噴射弁が設けられ、 前記ピストンの頂面には、噴射された燃料を点火プラグ
   に向かうように指向させるガイド壁部が形成されている
   ことを特徴とする火花点火式往復動型エンジン。
6. 【請求項６】 請求項３又は４のいずれかにおいて、 クランク軸心に沿って見て、クランク軸心通過線と気筒
   中心線との間のオフセット量をｄとし、また、クランク
   軸の回転半径をｒとしたとき、 オフセット割合ｄ/ｒは、０．０５≦ｄ/ｒ≦０．３とい
   う関係を満たすように設定されていることを特徴とする
   火花点火式往復動型エンジン。
7. 【請求項７】 請求項５において、 クランク軸心に沿って見て、クランク軸心通過線と気筒
   中心線との間のオフセット量をｄとし、また、クランク
   軸の回転半径をｒとしたとき、 オフセット割合ｄ/ｒは、０．０５≦ｄ/ｒ≦０．２とい
   う関係を満たすように設定されていることを特徴とする
   火花点火式往復動型エンジン。
8. 【請求項８】 請求項３〜５のいずれか１つにおいて、 燃料噴射弁による燃料の噴射圧力を調節する噴射圧調節
   手段が設けられていることを特徴とする火花点火式往復
   動型エンジン。
9. 【請求項９】 少なくとも低負荷低回転領域を含む設定
   運転領域にあるときに、気筒の圧縮上死点よりも進角側
   に熱発生率のピークが現れるように、混合気を燃焼させ
   るようにした火花点火式往復動型エンジンにおいて、 クランク軸の軸心に沿って見たとき、該クランク軸と気
   筒との中間位置において、気筒中心線が、該気筒中心線
   に平行でかつ前記クランク軸の軸心を通過するクランク
   軸心通過線に対し、該クランク軸の回転方向遅れ側にオ
   フセットしていることを特徴とする火花点火式往復動型
   エンジン。