JP2003227338A - 火花点火式直噴エンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ペントルーフ型燃焼室６の天井部に点火プラ
グ１６を配設し、吸気側の周縁部にインジェクタ１８を
配設するとともに、ピストン５冠面には凹部５０を形成
し、該凹部５０に沿って流れるタンブル流Ｔに対向する
ように燃料を噴射して、混合気を点火プラグ１６の電極
付近に滞留させるようにした直噴エンジン１において、
気筒２の半径が大きいときでも、良好な着火安定性を確
保する。 【解決手段】 インジェクタ１８による燃料の噴射方向
を、燃料噴霧の輪郭が点火プラグ１６の電極に略接する
ように該電極の下方に向けて設定する。吸気ポート１
０，１０の開口部を排気ポート１１，１１の開口部より
も小径とし、且つ該吸気ポート１０，１０の開口部同士
の間隔Ｄ１を排気ポート１１，１１の開口部同士の間隔
Ｄ２よりも大きくして、点火プラグ１６を気筒中心線Ｚ
よりも吸気側寄りに配置する。ターボ過給機４０を備え
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、気筒内の燃焼室に
噴射した燃料噴霧の挙動をタンブル流により制御して、
点火プラグの電極周りに混合気を成層化させるようにし
た火花点火式直噴エンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種の火花点火式直噴エン
ジンとしては、燃焼室に直接、噴射した燃料噴霧を比較
的強い空気流動に載せて点火プラグの電極側に輸送し、
気筒の点火時期近傍までに該点火プラグの電極周りに混
合気を層状に分布させるようにしたものが知られている
（例えば特開２０００−１０４５５０号公報を参照）。

【０００３】しかし、前記のように混合気を強い空気流
動に載せて輸送するようにしたものでは、気筒の点火時
期までに点火プラグ電極の付近に到達した混合気がその
後、電極付近を通過してしまうことになるので、混合気
に点火できる期間が短くて、点火時期制御の自由度が低
くならざるを得ず、着火安定性にも問題がある。

【０００４】これに対し、本願の発明者らは、気筒の圧
縮行程で燃焼室を流れるタンブル流を比較的弱いものと
し、その強さに均衡する比較的小さな貫徹力でもってタ
ンブル流に対向するように燃料を噴射させることによ
り、燃料噴霧を徐々に減速させて気筒の点火時期までに
点火プラグの電極の付近に到達させ、且つそこに滞留さ
せるという新規な層状混合気の形成方法を既に提案して
いる（特開２００１−１５９３１５号公報参照）。

【０００５】前記提案例の直噴エンジンでは、燃料噴射
弁を気筒内の燃焼室の周縁部に臨ませて燃料を点火プラ
グ電極の下方（ピストン冠面側）に向かって噴射するよ
うに配設するとともに、ピストンの冠面には気筒中心線
に沿って見て前記燃料噴射弁からの燃料の噴霧方向に長
くなるようにレモン形状の凹部を設ける。そして、気筒
の圧縮行程において前記凹部内を燃料噴射弁に向かって
流れるタンブル流に対向させて、燃料を噴射させる。

【０００６】そのような弱いタンブル流との衝突では燃
料噴霧はあまり飛散することもなく、タンブル流によっ
て徐々に減速されながら移動し、その間に燃料の気化霧
化が十分に促進されて良好な燃焼性を有する混合気とな
り、気筒の点火時期までに点火プラグの電極の付近に到
達して、そこに滞留するようになる。従って、前記従来
までの直噴エンジン（特開２０００−１０４５５０号公
報等）に比べて混合気に点火可能な時間が長くなり、比
較的良好な着火安定性が得られるとともに、点火時期制
御の自由度も高くなる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、提案例のエ
ンジンにおいて前記の如く燃焼室に滞留する混合気の濃
度はその中心付近で高くなるから、混合気への着火性を
高めるためには、燃料噴射弁による燃料の噴射方向（燃
料噴霧の中心線）をできるだけ点火プラグの電極に近付
けることが好ましいが、一方で、燃料の液滴が直接、点
火プラグの電極に当たることは避けなければならない。
そこで、前記提案例の場合、気筒列方向から見て燃料噴
霧の輪郭（液滴のエリア）が点火プラグの電極に略接す
るようにして、該電極に噴霧の輪郭が掛からない範囲で
燃料の噴射方向をできるだけ上向き（燃焼室天井部寄
り）に設定している。

【０００８】しかしながら、一般的に、燃料噴霧の形状
はその中心線に沿って外側に拡がる円錐状なので、前記
の如く燃料噴霧の輪郭が点火プラグ電極に掛からないよ
うにした場合、気筒の半径が大きいときほど、幾何学的
に燃料噴霧の中心と点火プラグの電極とが離れることに
なり、その点火プラグの電極付近における混合気の濃度
が相対的に低くなって、着火性が低下する傾向がある。

【０００９】この点について、例えば特開平１１−２９
４３０７号公報には、点火プラグの燃焼室天井部からの
突出量を可変とする機構を設け、エンジンの均一燃焼状
態では点火プラグの突出量を小さくする一方、成層燃焼
状態では突出量を大きくして点火プラグの電極位置を混
合気の中心に近付けるようにするという技術が開示され
ている。しかし、このものでは高圧の燃焼室に臨む点火
プラグを進退作動させるための機構が複雑なものとな
り、信頼性にも問題が生じる虞れがあるし、動弁機構等
が配設されるシリンダヘッドの限られたスペースに新た
に点火プラグの作動機構を追加することが難しく、現実
的な対応とは言い難い。

【００１０】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、前記提案例（特開２
００１−１５９３１５号公報）の如き火花点火式直噴エ
ンジンにおいて、主に燃焼室の天井部における点火プラ
グや燃料噴射弁のレイアウト構成に工夫を凝らすこと
で、気筒半径の相対的に大きいエンジンでも点火プラグ
の電極付近の混合気濃度を十分に高め得るようにして、
良好な着火安定性を確保することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の第１の解決手段では、燃焼室の天井部にお
いて吸気ポート開口部同士の間隔を排気ポート開口部よ
りも大きくし、その分、点火プラグを吸気側寄りに配置
して、該点火プラグの電極と燃料噴射弁の噴口とを近付
けるようにした。

【００１２】具体的に、請求項１の発明では、ペントル
ーフ型燃焼室の天井部に点火プラグを配設し、この天井
部の吸気側及び排気側の傾斜面にそれぞれ吸気及び排気
ポートを２つずつ開口させるとともに、吸気側の燃焼室
周縁部に燃料噴射弁を配設して、成層燃焼運転時には前
記燃焼室を流れるタンブル流に対向するように前記燃料
噴射弁により燃料を噴射させて点火プラグの電極周りに
成層化させるようにした火花点火式直噴エンジンを前提
とする。

【００１３】そして、前記燃料噴射弁による燃料の噴射
方向を、気筒列方向に見て燃料噴霧の中心線と点火プラ
グの軸線とが交わる位置が、該点火プラグの電極からピ
ストン冠面側に（所定以上）離間するように設定すると
ともに、前記燃焼室の天井部を気筒中心線に沿って見
て、２つの吸気ポートの開口部同士の間隔を２つの排気
ポートの開口部同士の間隔よりも大きくし、且つ、前記
点火プラグの電極を気筒中心よりも吸気側寄りに位置付
ける構成とする。

【００１４】前記の構成により、エンジンの成層燃焼運
転時には、気筒の圧縮行程中期以降に点火プラグの電極
の下方（ピストン冠面側）に向かって燃料が噴射され、
この燃料噴霧が気筒内の燃焼室を流れるタンブル流に略
正面から衝突して、その微粒化や空気との混合が促進さ
れるとともに、該タンブル流により減速されながら移動
して、気筒の点火時期までに混合気塊となって点火プラ
グの電極付近に滞留するようになる。

【００１５】ここで、一般的に、燃料噴霧の形状はその
中心線に沿って進行方向に拡がる円錐状であり、この燃
料噴霧の輪郭が点火プラグの電極に掛からないように、
燃料の噴射方向が下向きに（ピストン冠面に向かうよう
に）設定されているので、気筒の半径が大きいときに
は、その分、燃料噴霧の中心と点火プラグの電極とが離
れることになり、該電極付近の混合気濃度が低くなっ
て、着火性の低下することが懸念される。

【００１６】これに対し、この発明では、前記の如く、
燃焼室の天井部において吸気側傾斜面に開口する吸気ポ
ート開口部同士の間隔を排気ポート開口部同士の間隔よ
りも大きくし、そのことによって燃焼室天井部の中心部
の吸気側にプラグホールの開口スペースを確保して、点
火プラグの電極を気筒中心よりも吸気側寄りに位置付け
るようにした。

【００１７】このことで、気筒の半径が相対的に大きい
ときであっても、その分だけ燃料噴射弁の噴口と点火プ
ラグの電極との間隔が拡がるのではなく、両者の間隔を
気筒半径の大小に拘わらず、適切な範囲に収めることが
可能となる。

【００１８】つまり、本発明では、吸排気ポートの開口
部レイアウトの工夫によって、気筒半径の相対的に大き
いときでも点火プラグの電極と燃料噴射弁の噴口との間
隔を相対的に狭くすることができ、これにより、燃焼室
に滞留する混合気の中心を点火プラグの電極に近付け
て、該電極付近の混合気濃度を十分に高めることによっ
て、良好な着火安定性を確保することができる。

【００１９】請求項２の発明では、燃料噴射弁の噴口を
気筒列方向に見て吸気側傾斜面の外周側の端部よりも外
周側に位置付けた。このことで、燃焼室は外周側ほど温
度が低いので、燃料噴射弁の噴口部分を所定温度以下に
維持することが容易になり、該噴口付近のカーボンデポ
ジットの堆積を未然に防止できる。

【００２０】請求項３の発明では、２つの吸気ポート及
び排気ポートをそれぞれ開口部が同径のものとし、且つ
該吸気ポート開口部の直径を排気ポート開口部の直径以
下とする。こうすることで、燃焼室の天井部における吸
排気ポートの各開口部面積をそれぞれ十分に大きなもの
としながら、吸気ポート開口部同士の間にプラグホール
を開口させるスペースを容易に確保することができる。

【００２１】請求項４の発明では、請求項３の発明にお
ける吸気側の弁揚程特性を、少なくとも高速側ないし高
負荷側の均一燃焼状態において作動角又はリフト量の少
なくとも一方が排気側よりも大きくなるように設定す
る。

【００２２】こうすることで、吸気ポート開口部の面積
が相対的に小さくても、高出力の要求される高速側ない
し高負荷側（高速側か高負荷側かの少なくとも一方）の
均一燃焼状態において十分な吸気充填量を確保すること
ができ、しかも、そのときの吸気抵抗を比較的小さくで
きる。

【００２３】請求項５の発明では、請求項３の発明に記
載の火花点火式直噴エンジンにおいて、燃焼室へ吸気を
過給する過給機を備えるものとする。こうすれば、吸気
ポート開口部の面積が相対的に小さくても、十分な吸気
充填量を容易に確保することができる。

【００２４】次に、本発明の第２の解決手段では、ペン
トルーフ型燃焼室の天井部において吸気ポートの開口部
を排気ポート開口部よりも高い位置にずらして配置し、
その分、燃料噴射弁の噴口を気筒内周側に位置付けて点
火プラグに近付けるようにした。

【００２５】具体的に、請求項６の発明では、ペントル
ーフ型燃焼室の天井部に点火プラグを配設し、この天井
部の吸気側及び排気側の傾斜面にそれぞれ吸気及び排気
ポートを２つずつ開口させるとともに、吸気側の燃焼室
周縁部に燃料噴射弁を配設して、成層燃焼運転時には前
記燃焼室を流れるタンブル流に対向するように前記燃料
噴射弁により燃料を噴射させて点火プラグの電極周りに
成層化させるようにした火花点火式直噴エンジンを前提
とする。

【００２６】そして、前記燃料噴射弁の噴口を、気筒列
方向に見て気筒の外周端よりも内周側に位置付け、該燃
料噴射弁による燃料の噴射方向を、気筒列方向に見て燃
料噴霧の中心線と点火プラグの軸線とが交わる位置が該
点火プラグの電極からピストン冠面側に離間するように
設定するとともに、前記吸気ポートの開口部を、気筒列
方向に見て排気ポートの開口部よりもピストン冠面から
遠くなるようにずらして配置する構成とする。

【００２７】尚、吸気ポートの開口部をずらして配置す
るというのは、一般的な形状のペントルーフ型燃焼室の
天井部を基準として、排気ポート開口部に対し吸気ポー
ト開口部の位置がずれているということであり、例えば
排気ポートの開口部の位置だけを天井壁の面からずらし
てもよいし、或いは該天井壁の吸気側傾斜面全体をずら
すようにしてもよい。

【００２８】そして、そのように吸気ポートの開口部を
ピストンの冠面から遠くなるように、即ち上方にずらす
ということは、吸気ポート全体が相対的に上方にずれる
ということなので、そのことによって該吸気ポートの下
方に生じるスペースに燃料噴射弁を寄せて配置すること
が可能となり、該燃料噴射弁の噴口を相対的に燃焼室内
周側に近付けることができるのである。

【００２９】このことで、気筒の半径が相対的に大きい
ときであっても、燃料噴射弁の噴口を点火プラグの電極
に近付けて、請求項１の発明と同様に、気筒半径の大小
に拘わらず、両者の間隔を適切な範囲に収めることが可
能となり、もって、良好な着火安定性を確保することが
できる。

【００３０】請求項７の発明では、請求項６の発明にお
ける燃焼室天井部の吸気側傾斜面に、吸気ポート開口部
の全周を取り囲むように円環状凹部を形成し、該吸気ポ
ート開口部を吸気側傾斜面よりも深い位置に形成した。

【００３１】こうすると、燃焼室天井部の吸気側傾斜面
の位置を変更せずに、吸気ポート開口部の位置だけをず
らすことができるし、吸気弁軸を短縮すれば動弁系の配
置を変更する必要もない。従って、例えば、本願発明に
係る直噴エンジンとシリンダブロック等を共通化したポ
ート噴射仕様のエンジンを生産する場合に、シリンダヘ
ッドについても生産設備を共用することが可能となり、
これにより、製造コストの大幅な低減が図られる。

【００３２】請求項８の発明では、請求項６の発明にお
ける２つの吸気ポート及び排気ポートをそれぞれ開口部
が同径とし、且つ該吸気ポート開口部の直径を排気ポー
ト開口部の直径よりも大きくした。

【００３３】すなわち、自然吸気式エンジンにおいて燃
焼室の天井部の限られた面積に吸排気ポートの各開口部
面積をそれぞれ確保する場合、高圧の既燃ガス（排気）
を排出する排気ポートに比べて、外気を吸引する吸気ポ
ートの開口部をより大径とすることが好ましく、こうす
ることで、十分な吸気充填量を確保しながら、吸気損失
と排気損失とを合わせたポンプ損失の低減が図られる。

【００３４】

【発明の実施の形態】（実施形態１）以下、本発明の実
施形態を図面に基いて説明する。

【００３５】図２は本発明に係る火花点火式直噴エンジ
ン１の全体的な構成を示す。このエンジン１は、複数の
気筒２，２，…（１つのみ図示する）が直列に設けられ
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、それら各気筒２
内にピストン５が上下方向に往復動可能に嵌挿されてい
て、そのピストン５の冠面とシリンダヘッド４の下面と
の間の気筒２内に燃焼室６が区画形成されたものであ
る。また、前記気筒２，２，…を囲むシリンダブロック
３の側壁部には、図示しないがウオータジャケットが形
成されており、さらに、該シリンダブロック３の下側部
分には、気筒２，２，…に連通するようにクランク室７
が形成され、その内部にクランク軸８が回転自在に配設
されている。このクランク軸８の一端側にはその回転角
度を検出するための電磁式のクランク角センサ９が配設
されている。

【００３６】前記各気筒２の燃焼室６は、図１や図３に
詳細を示すように、天井壁６０の２つの傾斜面６０ａ，
６０ｂ（図１にのみ示す）が互いに差し掛けられた屋根
のような形状をなすペントルーフ型のものである。この
傾斜面６０ａ、６０ｂは、図３の如く気筒列方向に見た
ときに、天井部の略中央から左右両側に向かってそれぞ
れ徐々にピストン５冠面に近づくように延びていて、一
方（図の右側）の傾斜面６０ａに２つの吸気ポート１
０、１０が開口され、他方（図の左側）の傾斜面６０ｂ
に２つの排気ポート１１、１１が開口されていて、その
各ポート開口部に吸気及び排気弁１２，１３が配置され
ている。すなわち、前記天井壁６０とその吸気側及び排
気側にそれぞれ２つずつ配設された吸排気弁１２，１３
の傘部（図６では省略する）とによって、燃焼室６の天
井部が構成されている。

【００３７】前記吸気ポート１０，１０は、それぞれ燃
焼室６から斜め上方に向かって直線的に延びていて、エ
ンジン１の一側面（図の右側面）に独立して開口してお
り、一方、前記２つの排気ポート１１，１１は途中で１
つ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。また、吸気弁１２及び排気弁
１３は、シリンダヘッド４の内部に軸支された２本のカ
ム軸１４，１４により弁軸方向に押圧されて開作動され
るもので、該２本のカム軸１４，１４がそれぞれ前記ク
ランク軸８に同期して回転されることで、全気筒２，
２，…の吸気弁１２及び排気弁１３がそれぞれ所定のタ
イミングで開閉作動される。また、吸気側のカム軸１４
にはクランク軸８に対する回転位相を所定の角度範囲に
おいて連続的に変化させる周知構造の可変動弁機構１５
が付設されていて、この可変動弁機構１５により前記吸
気弁１２の開弁時期及び閉弁時期が同期して変更され
る。

【００３８】前記燃焼室６の上方には、４つの吸排気弁
１２，１３に取り囲まれるようにして点火プラグ１６が
配設されている。この点火プラグ１６の先端の電極は燃
焼室６の天井壁６０から所定距離だけ突出しており、該
点火プラグ１６の基端部には点火回路１７が接続されて
いて、各気筒２毎に所定の点火タイミングで点火プラグ
１６に通電するようになっている。一方、前記燃焼室６
の底部となるピストン５の冠面には、気筒中心線ｚに沿
って見たときにレモン形状となる凹部５０（図５参照）
が設けられている。

【００３９】また、前記燃焼室６の吸気側の周縁部に
は、２つの吸気ポート１０，１０の下方においてそれら
に挟まれるようにインジェクタ（燃料噴射弁）１８が配
設されている。このインジェクタ１８は、先端部の噴口
から燃料を旋回流として噴出させて、インジェクタ１８
の軸心の延びる方向に沿う略円錐状となるように噴射す
る公知のスワールインジェクタである（図７参照）。こ
の略円錐状の燃料噴霧は、雰囲気圧力の低いときほど拡
がり角θが大きくなって中空状となる一方、雰囲気圧力
が高くなると拡がり角θが小さくなって、中心部の燃料
の密度が高くなる。また、燃圧が高いほど、燃料噴霧の
貫徹力は大きくなる。

【００４０】一方、前記インジェクタ１８の基端部に
は、全気筒２，２，…に共通の燃料分配管１９が接続さ
れていて、燃料供給系２０から供給される高圧の燃料を
各気筒２に分配するようになっている。この燃料供給系
２０についての詳しい説明は省略するが、例えば、燃料
タンクから汲み上げた燃料を高圧燃料ポンプにより昇圧
した後に高圧レギュレータにより流量調節し、余剰の燃
料は燃料タンクに戻すことで、燃料分配管１９へ供給す
る燃料の圧力状態を適正な範囲（例えば略３ＭＰａ〜略
２０ＭＰａくらい）に調節する。尚、前記燃料分配管１
９にはその内部の燃料の圧力状態（燃圧）を検出する燃
圧センサ２１が付設されている。

【００４１】エンジン１の一側面には、各気筒２の吸気
ポート１０，１０にそれぞれ連通する吸気通路２３が接
続されている。この吸気通路２３は、エンジン１の燃焼
室６に対し図外のエアクリーナで濾過した吸気を供給す
るものであり、その上流側から下流側に向かって順に、
エンジン１に吸入される空気の流量を検出するホットワ
イヤ式エアフローセンサ２４と、後述のタービン３７に
より駆動されて吸気を圧縮するコンプレッサ２５と、こ
のコンプレッサ２５により圧縮した吸気を冷却するイン
タークーラ２６と、バタフライバルブからなり、吸気通
路２３を絞る電気式スロットル弁２７と、サージタンク
２８とが配設されている。前記電気式スロットル弁２７
は、図外のアクセルペダルに対し機械的には連結されて
おらず、図示しない電動モータにより駆動されて、アク
セプペダルの操作量（アクセル開度）に対応する適切な
開度となるように開閉される。

【００４２】また、前記サージタンク２８よりも下流側
の吸気通路２３は、各気筒２毎に分岐する独立通路とさ
れていて、これらの各独立通路の下流端部がさらに２つ
に分岐してそれぞれ吸気ポート１０，１０に連通してい
る。この２つの吸気ポート１０，１０の双方の上流側に
は、燃焼室６におけるタンブル流Ｔの強さを調節するた
めの開閉弁３０，３０（Tumble Control Valve：以下、
ＴＣＶと略称する）が配設され、例えばステッピングモ
ータ（図示せず）等のアクチュエータによって開閉作動
されるようになっている。このＴＣＶ３０は、いずれも
バタフライバルブの一部を切り欠いたもので、この実施
形態では弁軸よりも下側の部分を切り欠いている。そし
て、ＴＣＶ３０，３０が閉じられたときには吸気が前記
の切り欠き部分のみから下流側に流れて、燃焼室６に強
いタンブル流Ｔを生成する一方、ＴＣＶ３０，３０が開
かれるに従い、吸気は該切り欠き部分以外からも流通す
るようになり、タンブル流Ｔの強度は徐々に弱められ
る。

【００４３】尚、前記吸気ポート１０やＴＣＶ３０の形
状は上述したものに限られず、例えば、バタフライバル
ブの弁軸よりも上側の部分を切り欠いたものでもよい。
また、吸気ポートは、上流側で１つに合流されたいわゆ
るコモンポートであってもよく、この場合には、ＴＣＶ
として、コモンポートの断面形状に対応する形状のバタ
フライバルブの一部分を切り欠いたものとすればよい。

【００４４】一方、エンジン１の他側面には、燃焼室６
から既燃ガス（排気）を排出する排気通路３３が接続さ
れている。この排気通路３３の上流端は、各気筒２毎に
分岐して排気ポート１１に連通する排気マニホルド３４
により構成され、該排気マニホルド３４の集合部には排
気中の酸素濃度を検出するリニアＯ2センサ３５が配設
されている。このリニアＯ2センサ３５は排気中の酸素
濃度に基づいて空燃比を検出するために用いられるもの
で、理論空燃比を含む所定の空燃比範囲において酸素濃
度に対しリニアな出力が得られるものである。

【００４５】また、前記排気マニホルド３４の集合部に
は、排気流を受けて回転されるタービン３７と、排気管
３６とが接続されていて、この排気管３６の上流側から
下流側に向かって順に、略理論空燃比近傍の排気中のＨ
Ｃ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化する三元触媒３８と、理論空燃
比よりもリーンな排気中のＮＯｘを浄化可能なリーンＮ
Ｏｘ触媒３９（ＮＯｘ吸蔵還元触媒、ＮＯｘ吸着還元触
媒を含む）とが配設されている。前記タービン３７は、
吸気通路２３のコンプレッサ２５と共にターボ過給機４
０を構成するものであり、排気流によりタービン３７が
回転されると、このタービン３７と一体に回転するコン
プレッサ２５が吸気を圧縮して過給する。また、このタ
ーボ過給機４０には、前記タービン３７をバイパスして
排気管３６の上流側から下流側へ排気を流通させるウエ
ストゲート通路４１と、このウエストゲート通路４１を
流通する排気の流量を調整するウエストゲート弁４２と
が設けられている。尚、前記ターボ過給機４０に代え
て、エンジン１のクランク軸８により駆動される機械式
過給機や電動モータにより駆動する過給機等を用いるこ
ともできる。

【００４６】尚、図２に示す符号４３は、三元触媒３８
の劣化状態を判定するためにその下流側に配設されたラ
ムダＯ2センサである。また、図示は省略するが、前記
排気通路３３におけるタービン３７よりも上流側の部位
には、排気の一部を吸気側に還流させるＥＧＲ通路の上
流端が分岐接続されている。このＥＧＲ通路の下流端は
前記サージタンク２８に接続され、その近傍には開度調
節可能な電気式のＥＧＲ弁が配設されていて、ＥＧＲ通
路による排気の還流量を調節できるようになっている。

【００４７】前記可変動弁機構１５、点火回路１７、イ
ンジェクタ１８、燃料供給系２０、電気式スロットル弁
２７、ＴＣＶ３０等は、いずれもエンジンコントロール
ユニット４５（以下、ＥＣＵという）によって作動制御
される。一方、このＥＣＵ４５には、少なくとも、前記
クランク角センサ９、燃圧センサ２１、エアフローセン
サ２４、リニアＯ2センサ３５、ラムダＯ2センサ４３等
からの各出力信号が入力されるとともに、シリンダブロ
ック３のウオータジャケットに臨んで冷却水の温度（エ
ンジン水温）を検出する水温センサ４７からの出力信号
が入力され、さらに、アクセル開度を検出するアクセル
開度センサ４８からの出力信号と、エンジン回転速度
（クランク軸８の回転速度）を検出する回転速度センサ
４９からの出力信号とが入力される。

【００４８】そして、前記ＥＣＵ４５は、各センサから
入力される信号に基づいて、吸排気弁１２，１３の開閉
作動時期、点火プラグ１６による点火時期、インジェク
タ１８による燃料噴射量、噴射時期及び噴射圧力、スロ
ットル弁２７の開度、ＴＣＶ３０の開度等をそれぞれエ
ンジン１の運転状態に応じて制御する。例えば、エンジ
ン１が温間で且つ低速低負荷側の運転状態にあるときに
は、インジェクタ１８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１６の近傍に混合気が層状に偏
在する状態で燃焼させる（成層燃焼状態）。このときに
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２７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
リーンになる。

【００４９】一方、高速側ないし高負荷側の運転状態で
はインジェクタ１８により主に気筒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全体に均一
な混合気を形成した上で燃焼させる（均一燃焼状態）。
このときには、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）になるように、
燃料の噴射量やスロットル弁２７の開度等を制御する
が、特に全負荷付近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くらい）に制御して、高
負荷に対応した大出力を得られるようにしている。

【００５０】尚、前記温間の低速低負荷側では、ＥＧＲ
弁を開弁させてＥＧＲ通路により排気の一部を吸気通路
２３に還流させるようにしており、これによりＮＯｘの
生成を抑制することができる。一方、冷間時には燃焼安
定性の確保を最優先し、エンジン１の全ての運転状態で
均一燃焼状態とするとともに、ＥＧＲ弁は全閉とするよ
うにしている。

【００５１】（燃焼室のレイアウト構成）この実施形態
の直噴エンジン１の特徴は、上述の如き成層燃焼状態の
ときに、燃焼室６の空気流動を利用して点火プラグ１６
の電極の付近にリッチな混合気塊を滞留させるようにし
たことにある。すなわち、成層燃焼状態では気筒２の圧
縮行程中期以降に燃焼室６を流れるタンブル流Ｔに対し
て略正対する方向から衝突するように、インジェクタ１
８により適当な貫徹力でもって燃料を噴射させ、この燃
料噴霧をタンブル流Ｔにより減速させて、点火プラグ１
６の電極付近に到達させるようにする。その際、タンブ
ル流Ｔの強度及び燃料噴霧の貫徹力をいずれも相対的に
弱いものとすれば、燃料噴霧はタンブル流Ｔとの衝突に
よってあまり飛散することなく、適切な濃度の混合気塊
となって点火プラグ１６電極の付近に滞留するのであ
る。

【００５２】そのような特徴的な混合気形成を実現する
ために、この実施形態の直噴エンジン１では、ピストン
５冠面の凹部５０の形状や点火プラグ１６及びインジェ
クタ１８のレイアウトを以下のように互いに関連付けて
適切に設定している。

【００５３】具体的に、まず、ピストン５の冠面には、
図４及び図５に示すように気筒中心線Ｚに沿って見たと
きに、インジェクタ１８による燃料の噴射方向（燃料噴
霧の中心線Ｆが延びる方向）に長いレモン形状の凹部５
０が形成されている。これは、気筒中心線Ｚに沿って見
て、吸気ポート１０，１０から燃焼室６へ吸気の流入す
る方向と凹部５０の長さ方向とが大体、同じになるとい
うことであり、このことで、気筒２の吸気行程から圧縮
行程にかけてタンブル流Ｔが前記凹部５０の壁面に沿っ
てインジェクタ１８に向かうように流れ、このタンブル
流Ｔが気筒２の圧縮行程後期まで安定して保持されるよ
うになる。

【００５４】また、前記凹部５０の開口幅は、前記図４
(a)に示すように、点火プラグ１６の電極を囲む長さ方
向の略中央部で最大となり、そこから凹部５０の長さ方
向両端側に向かって徐々に狭くなっている。この凹部５
０の開口幅は、前記図５に示すように、気筒２の圧縮行
程においてインジェクタ１８により噴射された燃料噴霧
が点火プラグ１６の付近にまで到達したとして、その燃
料噴霧を包含するような大きさとされており、このこと
で、該燃料噴霧が凹部５０の幅方向の両側壁面５０ａ，
５０ａに接触することがなく、該側壁面５０ａへの燃料
の付着量が極めて少なくなる。

【００５５】また、前記図４(b)(c)に示すように、前記
凹部５０の底壁面５０ｂは略平坦になっていて、その長
さ方向の両端側に緩やかに湾曲して上方に向かう湾曲部
が連続しており、特に吸気側の湾曲部に連続して燃料噴
霧との干渉を避けるための切り欠き部５２が形成されて
いる。また、前記凹部５０の底壁面５０ｂの幅方向両端
側には側壁面５０ａ，５０ａが連続していて、この側壁
の高さは凹部５０の長さ方向の略中央部において最も高
くなっている。

【００５６】前記凹部５０を除いたピストン５冠面の外
周側部分は、上下に対向する燃焼室６の天井壁６０に略
平行に沿うような形状とされていて、該天井壁６０の吸
気側傾斜面６０ａから排気側傾斜面６０ｂに亘る範囲と
対峙するように、凹部５０の幅方向両側においてそれぞ
れ吸気側から排気側まで連続するスキッシュエリア５１
が形成されている。そして、気筒２の圧縮行程において
ピストン５が上死点に向かって上昇すると、ピストン５
冠面のスキッシュエリア５１と燃焼室６の天井壁６０と
の間に挟まれる空間から凹部５０の内方に向かうように
空気が押し出されて、図５に矢印Ｓ，Ｓ，…で示すよう
に、凹部５０の内方に向かってその幅方向両側から流れ
込む強いスキッシュ流が生成される。

【００５７】尚、前記吸気側のスキッシュエリアには、
吸気弁１２，１２の傘部との干渉を避けるようにバルブ
リセス５３，５３が形成されており、ここではあまり強
い流れは生成されない。従って、スキッシュ流Ｓは、凹
部５０の幅方向内方に向かう成分と該凹部５０の排気側
からの成分とがそれぞれ強くなり、一方、吸気側からの
成分は相対的に弱くなる。このことで、スキッシュ流Ｓ
により混合気の拡散を十分に抑制しながら、燃焼室６の
天井部付近に残るタンブル流Ｔの影響を低減させて、混
合気の滞留性を向上できる。

【００５８】続いて、インジェクタ１８のレイアウトに
ついて説明する。図３に示すように気筒列方向に見て、
インジェクタ１８は、その軸心が気筒２の横断面に対し
て所定の傾斜角度δ（好ましくはδ＝２５°〜４０度、
図例では略３０°）をなすように設置されている。この
実施形態では、インジェクタ１８はその軸線に沿って燃
料を噴射するものなので、燃料噴霧の中心線Ｆとインジ
ェクタ１８の軸線とは略一致していて、該燃料噴霧中心
線Ｆは、成層燃焼時の気筒２の燃料噴射時期において点
火プラグ１６の電極とピストン５冠面の凹部５０の底面
５０ｂとの間を通り、図６に示すように気筒列方向に見
たときに、点火プラグ１６の軸線ｚ１と交わる位置Ｋが
該点火プラグ１６の電極からピストン５冠面側（下方）
に離間している。そのようにインジェクタ１８の設置角
δを設定したことで、ピストン５冠面に形成された凹部
５０との相互の位置関係により、気筒２の圧縮行程中期
以降に該凹部５０に沿って流れるタンブル流Ｔに対して
燃料噴霧を略正面から効果的に衝突させることができる
（図１０参照）。

【００５９】また、前記図３に示すように気筒列方向に
見て、インジェクタ１８の噴口は、燃焼室６の天井壁６
０の吸気側傾斜面６０ａの外周側の端部よりも外周側に
位置し、図例では、気筒２の外周端よりも外側に位置し
ている。すなわち、エンジン１のシリンダヘッド４に
は、各気筒２毎に吸気側の側壁外面に開口してインジェ
クタ１８の先端側を収容するインジェクタ収容部４ａが
形成され、該インジェクタ収容部４ａの奥には燃焼室天
井壁６０の外周縁部に開口する孔部６２が連通してい
て、そこにインジェクタ１８先端部の噴口が配置されて
いる。このことで、インジェクタ１８の噴口は気筒２内
の燃焼室６から一段、引っ込んで、その分、燃焼による
熱の影響を受け難い状態になっており、これにより、噴
口付近へのカーボンデポジットの堆積が未然に防止され
る。尚、インジェクタ１８の噴口は吸気側傾斜面６０ａ
の外周端よりも外周側にあればよく、必ずしも気筒２の
外周端よりも外側に位置付ける必要はない。

【００６０】さらに、前記インジェクタ１８による燃料
噴霧の拡がり角θは、雰囲気圧力、即ち燃焼室６の圧力
状態によって変化するものであるが、この実施形態のも
のでは、図６に示すように気筒２の圧縮行程中期以降に
おける燃料噴霧の拡がり角θが、θ＝略４５°とされて
いて、略円錐状の燃料噴霧の輪郭（液滴のエリア）が点
火プラグ１６の電極に略接するようになっている。この
ことで、燃料の噴射方向（燃料噴霧の中心線Ｆ）をでき
るだけ点火プラグ１６の電極に接近させて、混合気への
着火性を高めながら、その電極に対してインジェクタ１
８からの初期噴霧に含まれる粗大な燃料液滴が付着する
ことは回避することができ、該点火プラグ１６のくすぶ
りを未然に防止できる。

【００６１】尚、前記インジェクタ１８による燃料噴霧
の拡がり角θが大きいときには、自ずと燃料噴霧が拡散
し易くなり、点火プラグ１６電極の周りの混合気が全体
として希薄化する。反対に、燃料噴霧の拡がり角θが小
さ過ぎるときには、燃料噴霧の中心線付近で燃料の過集
中が起こり、燃料液滴の空気との混合や気化霧化が不十
分になって混合気の燃焼性が悪化する虞がある。このた
め、燃料噴霧の拡がり角θは、θ＝２０〜６０°の範囲
とするのがよく、特にθ＝４０〜５５°くらいが好まし
い。

【００６２】ここで、前記燃料噴霧の拡がり角θの定義
としては、図７に模式的に示すように、インジェクタ１
８の先端部Ａ点から２０ｍｍ下流の位置において噴霧中
心線Ｆの通る仮想平面と燃料噴霧の輪郭とが交差する２
点Ｂ，Ｃを決定し、∠ＢＡＣをもって燃料噴霧の拡がり
角θを定義する（θ＝∠ＢＡＣ）。また、燃料噴霧の輪
郭については例えばレーザシート法により求めるように
すればよい。

【００６３】尚、レーザシート法というのは、まず、燃
料噴霧の撮影が可能な圧力容器内にインジェクタを設置
し、この容器内を気筒の圧縮行程中期以降の燃料噴射時
期に相当する圧力状態（例えば０．２５ＭＰａ）に加圧
するとともに、燃料性状相当の試料を燃料噴射圧に相当
する所定圧（例えば１０ＭＰａ）に加圧して、常温下に
おいて、１パルス当たりの噴射量が９mm³/strokeになる
ようにインジェクタに所定パルス幅の駆動パルス信号を
入力して、燃料を噴射させる。その際、燃料噴霧に対し
その噴霧中心線を通るように厚さ１ｍｍ程度のレーザシ
ート光を照射しておいて、このレーザシート光面に対し
て直交する方向から高速度カメラにて噴霧画像を撮影す
る。そして、前記駆動パルス信号の入力時期から１．５
６ミリ秒後の撮影画面に基づいて噴霧の拡がり角θを計
測すればよい。

【００６４】次に、点火プラグ１６の電極の位置につい
て説明する。まず、上述の如く、点火プラグ１６は燃焼
室６に滞留する混合気に対して確実に点火できるよう、
その電極を気筒中心線ｚに沿って燃焼室６の天井部から
突出するように配置されている。具体的には、点火プラ
グ１６の電極は、インジェクタ１８により燃料を斜め下
方のピストン５冠面側に噴射させるこの実施形態におい
ては、該インジェクタ１８の噴口と概ね同じ高さ位置
（気筒中心線ｚ方向の位置）にあり、気筒２の圧縮行程
中期以降のタンブル流Ｔの主流からは離れて、その渦の
中心付近に位置している。つまり、点火プラグ１６電極
の付近は燃料の噴射から点火までの間、混合気の滞留し
易い状態に保たれている。

【００６５】ここで、気筒２の点火時期近傍における点
火プラグ電極と燃料噴霧（混合気）との位置関係につい
てさらに詳しく考察する。まず、図８に一例を示すよう
に、気筒の圧縮行程のような高圧下でスワールインジェ
クタにより燃料を噴射したとき、中実の噴霧内の燃料
（液滴及び蒸気）の密度分布は、その燃料噴霧の中心線
付近で高くなり、そこから外周側に向かって徐々に低下
していく。具体的には、図に破線で示すＡタイプのイン
ジェクタの場合、燃料噴霧の中心線近傍の燃料密度が極
めて高く、そこから燃料密度が一旦、急激に低下した後
に比較的緩やかに低下している。また、図に実線で示す
Ｂタイプのインジェクタの場合は、Ａタイプのものに比
べて燃料密度の偏りが小さく、燃料噴霧の中心線近傍か
ら噴霧の外周側に向かって略一定の割合で燃料密度が低
下している。従って、前記のいずれのタイプのインジェ
クタを用いるにしても、混合気に安定して点火するため
には、点火プラグの電極を燃料噴霧の中心線に対しある
程度以上、近付ける必要がある。

【００６６】このような観点でこの実施形態のエンジン
１を見ると、図６に模式的に示すように、スワールイン
ジェクタ１８からの燃料噴霧はその中心線Ｆに沿って進
行方向に徐々に拡大する略円錐形状となるから、前記し
たように燃料噴霧の輪郭を点火プラグ１６の電極に略接
するように位置付けた場合、燃料噴霧中心線Ｆと点火プ
ラグ１６電極との距離ｄ１は該電極とインジェクタ１８
の噴口との間の気筒半径方向の距離ｄ２に略比例して大
きくなることが分かる。換言すれば、エンジン１の気筒
半径が大きいほど、点火プラグ１６の電極が燃料噴霧の
中心線Ｆから遠ざかってその付近の燃料密度が低くな
り、着火安定性が低下してしまう。

【００６７】そこで、この実施形態に係る直噴エンジン
１では、本発明の特徴部分として、点火プラグ１６の電
極を気筒中心線Ｚよりも吸気側寄りに配置することで、
その電極とインジェクタ１８の噴口とを近付けるように
している。すなわち、一般的に、ペントルーフ型の燃焼
室を有する４弁式エンジンでは、吸気効率を高めるため
に吸気弁の直径を排気弁よりも大きくしており、このと
きに、燃焼室天井壁の限られたスペースに吸排気ポート
の各開口面積をできるだけ大きく確保しようとすれば、
４つの弁の傘部に囲まれる点火プラグの電極は自ずと気
筒中心線よりも排気側寄りに位置することになる。

【００６８】これに対し、この実施形態のものでは、吸
気ポート１０，１０の開口部を排気ポート１１，１１の
開口部よりも小径とし、且つ２つの吸気ポート１０，１
０同士の間隔を拡げて、点火プラグ１６の電極を気筒中
心線Ｚよりも吸気側寄りに配置できるようにした。具体
的には図１に示すように、吸気弁１２及び排気弁１３を
省略して燃焼室６の天井壁６０を気筒中心線Ｚに沿って
下方から見ると、天井壁６０の吸気側傾斜面６０ａに開
口する２つの吸気ポート１０，１０は互いに同径であ
り、また、同様に排気側傾斜面６０ｂに開口する２つの
排気ポート１１，１１も互いに同径であって、その各排
気ポート１１の開口部が各吸気ポート１０の開口部より
も大径とされている。

【００６９】さらに、前記２つの吸気ポート１０，１０
の開口部同士の間隔Ｄ１は、２つの排気ポート１１，１
１の開口部同士の間隔Ｄ２よりも大きく、このことで天
井壁６０の略中央部から吸気側寄りの部位に残るスペー
スに、４つのポート開口部に囲まれ且つ気筒中心線Ｚに
対し吸気側に偏心して、プラグホール６１が開口されて
いる。尚、前記吸気側傾斜面６０ａの外周側の周縁部に
は、インジェクタ収容部４ａに連通する孔部６２が開口
していて、そこからインジェクタ１８先端部の噴口が燃
焼室６に臨んでいる。また、図例では、該孔部６２に連
続してインジェクタ１８からの燃料噴霧との干渉を避け
るように、断面三角形状のリセス６３が形成されている
（このリセス６３は無くてもよい）。

【００７０】ここで、吸排気ポート１０，１１の開口部
を前記のようにレイアウトしたのは、シリンダヘッド４
の信頼性を担保するためである。すなわち、従来周知の
通り、燃焼室６に臨む天井壁６０はエンジン１のシリン
ダヘッド４の中で最も熱負荷の高い部位であり、特に吸
排気ポート１０，１１の開口部とプラグホール６１との
間のブリッジ部の熱負荷が高くなるから、この部分の肉
厚の確保はシリンダヘッド４の信頼性上、極めて重要で
ある。従って、この実施形態のものでは、点火プラグ１
６の電極を気筒２の中心線Ｚよりも吸気側寄りに配置す
るために、前記の如く一般的なペントルーフ型燃焼室と
は異なる吸排気ポート１０，１１のレイアウトによっ
て、燃焼室天井壁６０の略中央部から吸気側寄りの部位
に亘ってプラグホール６１のスペースを確保しているの
である。

【００７１】そして、上述したように、点火プラグ１６
の電極を気筒中心線Ｚよりも吸気側寄りに配置したこと
で、この電極の位置は気筒２の吸気側周縁部に位置する
インジェクタ１８の噴口に近付くことになり、気筒２の
半径が相対的に大きいときであっても点火プラグ１６の
電極とインジェクタ１８の噴口との間の距離を相対的に
短くして、適切な範囲に収めることが可能となる。これ
により、この実施形態の直噴エンジン１では、気筒半径
の大小に拘わらず点火プラグ１６の電極を燃焼室６の混
合気の中心に近付けて、良好な着火安定性を得ることが
できる。

【００７２】また、この実施形態のエンジン１では、各
気筒２の燃焼室６へ吸気を過給するターボ過給機４０が
設けられているので、前記したように吸気ポート１０，
１０の開口部面積が相対的に小さなものであっても、十
分な吸気充填量を容易に確保することができ、これによ
り、高速側ないし高負荷側で均一燃焼状態となるときに
も十分な出力が得られる。

【００７３】（エンジンの運転動作）次に、本願発明の
火花点火式直噴エンジン１の運転動作について説明す
る。

【００７４】まず、エンジン１が低速低負荷側にあって
成層燃焼状態となるときには、図９に示すように、気筒
２の吸気行程においてピストン５が上死点位置から下降
するときに、開状態の吸気弁１２の傘部と吸気ポート１
０の開口部との間隙から吸気が燃焼室６へ流入し、同図
に矢印で示すように燃焼室６全体に亘る大きなタンブル
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１０
の開口部の点火プラグ１６寄りの部位から燃焼室６へ流
入し、ピストン５のさらなる下降に伴い排気側（図の左
側）の気筒内周面に沿って下方に向かった後に、ピスト
ン５の冠面に沿って吸気側（図の右側）へ曲げられて、
そこからさらに上方に向かって流れ、全体として燃焼室
６の縦方向に旋回するタンブル流Ｔとなる。

【００７５】続いて、当該気筒２が圧縮行程に移行し
て、ピストン５が下死点位置から上昇すると、このピス
トン５の上昇に伴う燃焼室６容積の減少によってタンブ
ル流Ｔが潰されてコンパクトなものとなり、その流速も
徐々に低下する。しかし、気筒２の圧縮行程中期以降に
おいてもペントルーフ型の燃焼室６天井部とピストン５
冠面の凹部５０との間に適切な形状の空間が残っている
ため、タンブル流Ｔは崩壊することなく、当該気筒２の
圧縮行程後期まで保持される。このとき、ピストン５冠
面の凹部５０に沿って排気側から吸気側（図の左側から
右側）に向かう流れがインジェクタ１８の噴口の付近で
折り返し、燃焼室６の天井部に沿って吸気側から排気側
へ流れるようになるが、特に前記凹部５０に沿って吸気
側に向かう流れは、該凹部５０の底壁面５０ｂの吸気側
の湾曲部により天井部に向かうように案内されて、イン
ジェクタ１８の噴口に向かって流れることになる。

【００７６】このため、図１０に示すように、気筒２の
圧縮行程中期以降にインジェクタ１８により燃料が噴射
されると、この燃料噴霧の中心がタンブル流Ｔの流れの
強いところに略正対して衝突することになり、これによ
り、燃料液滴の気化霧化や周囲の空気との混合が促進さ
れるとともに、該燃料噴霧はタンブル流Ｔを押し退ける
ように進みながら徐々に減速されて、図１１に示す当該
気筒２の点火時期までに燃焼室６の略中央部、即ち点火
プラグ１６の電極付近に到達して、そこに滞留するよう
になる。

【００７７】その際、ピストン５冠面外周側のスキッシ
ュエリア５１から燃焼室６中心に向かうスキッシュ流Ｓ
が発生し、このスキッシュ流Ｓが混合気の拡散を抑制し
て、着火性に優れた混合気塊を形成させる。また、特に
排気側から混合気に向かうスキッシュ流Ｓが燃焼室６天
井部に残るタンブル流Ｔの影響を軽減して、混合気の滞
留精度を向上させる。そして、この状態で点火プラグ１
６に通電されることよって前記混合気塊に確実に着火さ
れて、良好な成層燃焼が行われる。

【００７８】一方、エンジン１が相対的に高速側ないし
高負荷側にあって均一燃焼状態になるときには、図１２
に示すように、気筒２の吸気行程において燃焼室６に吸
気が導入される際にインジェクタ１８により燃料が噴射
される。この燃料噴霧は相対的に低圧の気筒２内で大き
く拡がり、ピストン５の下降移動に伴う燃焼室６容積の
拡大によって広く分散して、燃焼室６全体に略均一な可
燃混合気を生成する。この際、燃焼室６のタンブル流Ｔ
によって燃料噴霧と空気との混合が促進され、かつ燃料
の気化霧化が十分に促進される。そして、その後の点火
時期において点火プラグ１６の電極に通電されると、そ
の近傍にて生成した火炎核が急速に成長して、良好な均
一燃焼状態となる。

【００７９】したがって、この実施形態に係る火花点火
式直噴エンジン１によると、各気筒２内の燃焼室６天井
部の吸気側の周縁部にインジェクタ１８の噴口を臨ませ
て、ピストン５冠面側に向かって所定の傾斜角度で燃料
を噴射させることにより、この燃料噴霧を燃焼室６のタ
ンブル流Ｔに略正面から衝突させて、点火プラグ１６の
電極付近に混合気として滞留させることができ、そし
て、その混合気に対して点火プラグ１６により点火して
成層燃焼状態とすることによって、燃費及び出力の改善
が図られる。

【００８０】しかも、ペントルーフ型燃焼室６の天井部
において、吸気ポート１０，１０の開口部を排気ポート
１１，１１の開口部よりも小径とし、且つ吸気ポート１
０，１０の開口部同士の間隔Ｄ１を排気ポート１１，１
１の開口部同士の間隔Ｄ２よりも大きくしたことで、エ
ンジン１の信頼性を損なうことなく、燃焼室６の天井壁
６０の中心よりも吸気側にプラグホール６１の開口スペ
ースを確保して、点火プラグ１６の電極を気筒中心線Ｚ
よりも吸気側寄りに位置付けている。このことで、エン
ジン１の気筒２の半径が相対的に大きいときであって
も、インジェクタ１８の噴口と点火プラグ１６の電極と
の距離を相対的に短い適切な範囲に収めることができ、
これにより、点火プラグ１６の電極位置と燃焼室６の混
合気の中心位置とを相対的に近付けて、該点火プラグ１
６による混合気への良好な着火安定性を確保することが
できる。

【００８１】また、ターボ過給機４０により前記各気筒
２への吸気を過給することで、前記の如く吸気ポート１
０，１０の開口部面積が相対的に小さなものであって
も、均一燃焼状態のときに必要な吸気充填量を容易に確
保して、高出力を得ることができる。

【００８２】つまり、この実施形態の直噴エンジン１で
は、吸気ポート１０，１０の開口部面積が相対的に小さ
くてもターボ過給によって十分な吸気充填量が得られる
ことを利用して、前記の如き吸排気ポート１０，１１及
び点火プラグ１６の特徴的なレイアウトにより成層燃焼
運転時の良好な混合気形成を図りつつ、一方で均一燃焼
運転時の出力要求を十分に満足することができる。

【００８３】（変形例）尚、前記実施形態１の火花点火
式直噴エンジン１において、ターボ過給機４０等の過給
機を備えないものとしてもよい。この場合には、吸気ポ
ート１０，１０の開口径が相対的に小さいことに対応し
て、吸気側の弁揚程特性を、少なくとも高速側ないし高
負荷側の均一燃焼状態において作動角（吸気弁１２の開
弁から閉弁までの間のクランク角）又はリフト量の少な
くとも一方が排気側よりも大きくなるように設定するこ
とが好ましい。すなわち、例えば、吸気側のカム軸１４
においてカムプロファイルを排気側よりも高リフトのも
のや作動角の大きいものとすればよく、或いは、吸気側
のカム軸１４にカムプロファイルを変更可能な周知構造
の可変機構を付設して、エンジン１が高速側ないし高負
荷側にあるときにのみ吸気弁１２，１２の作動角やリフ
ト量を排気側よりも大きくするようにしてもよい。

【００８４】こうすることで、燃焼室６の天井壁６０に
おいて吸気ポート１０，１０の開口面積が相対的に小さ
くても、高出力の要求される高速側ないし高負荷側の運
転状態において過給なしで十分な吸気充填量を確保する
ことが可能となり、しかも、そのときの吸気抵抗を比較
的小さくすることができる。このような構成は、実施形
態１のように過給機を備えたエンジン１にも適用するこ
とができる。

【００８５】（実施形態２）図１３及び図１４には、本
発明の実施形態２に係る火花点火式直噴エンジン１の燃
焼室６の構造を示す。この実施形態２のエンジン１は前
記実施形態１のものとは異なり、ターボ過給機４０を備
えていない自然吸気式のものである。また、図１３に示
すように気筒中心線Ｚに沿って見ると、吸気ポート１
０，１０の各開口部の直径が排気ポート１１，１１に比
べて大きく、点火プラグ１６の電極が気筒中心線Ｚに対
して排気側寄りに位置していて、この点で前記実施形態
１のものとは異なる一般的な構成のペントルーフ型燃焼
室６になっている。尚、この実施形態２のエンジン１の
全体構成は前記実施形態１のものと同様なので、同一部
材には同一の符号を付してその説明は省略する。

【００８６】そして、この実施形態２のエンジン１の特
徴は、図１４に示すように気筒列方向に見たときに、吸
気ポート１０，１０の各開口部が排気ポート１１，１１
の各開口部よりも高くなるように、即ちピストン５の冠
面から遠くなるように、ずらして配置されていること
と、そのことによって吸気ポート１０，１０の下方（シ
リンダブロックとの合わせ面に近い方）におけるインジ
ェクタ１８の配置スペースが大きくなることを利用し
て、インジェクタ１８が吸気ポート１０，１０に寄せ
て、即ち気筒２の内周側寄りに配置されていることとに
ある。

【００８７】より詳しくは、図１３に示すように、燃焼
室６の天井壁６０の吸気側傾斜面６０ａには、各吸気ポ
ート１０の開口部全周を取り囲むように円環状凹部１０
ａが形成されていて、この凹部１０ａの分だけ、各吸気
ポート１０開口部が吸気側傾斜面６０ａよりも深い位置
に形成されている。このことで、燃焼室６の天井部にお
いて吸気側傾斜面６０ａの位置は変更せずに、吸気ポー
ト１０の開口部の位置だけをずらすことができる。ま
た、吸気弁１２の弁軸の長さを短縮すれば、動弁系のレ
イアウト等を変更する必要もない。従って、例えば、こ
の実施形態２の直噴エンジン１とは別に、シリンダブロ
ック３等を共通化したポート噴射仕様のエンジンを生産
する場合に、両者の吸排気弁１２，１３の挟み角が同じ
になり、シリンダヘッド４についても生産設備を共用す
ることができる。

【００８８】また、図１３及び図１４から明らかなよう
に、実施形態２のエンジン１では、インジェクタ１８の
先端部の噴口が気筒２の外周端よりも内側に位置してい
る。すなわち、インジェクタ１８の噴口は、前記実施形
態１のものと同様に燃焼室６の天井壁６０における吸気
側傾斜面６０ａの外周端部よりも外周側に位置するもの
の、相対的に気筒２の内周側に、即ち点火プラグ１６の
電極の近くに位置している。このことで、点火プラグ１
６を気筒中心線Ｚよりも排気側寄りに配置していても、
インジェクタ１８の噴口を気筒２の内周側に位置付けて
両者の間隔を狭めることができる。

【００８９】さらに、この実施形態２のエンジン１で
は、２つの吸気ポート１０，１０及び排気ポート１１，
１１をそれぞれ開口部が同径であって且つ該吸気ポート
１０開口部の直径が排気ポート１１開口部の直径よりも
大きいものとしており、このことで、燃焼室天井壁６０
の限られた面積に吸排気ポート１０，１１の各開口部面
積をそれぞれ最大限に確保して、高負荷域でも十分な吸
気充填量を確保できるとともに、吸気損失と排気損失と
を合わせたポンプ損失の低減が図られている。

【００９０】したがって、この実施形態２に係る火花点
火式直噴エンジン１によれば、自然吸気式エンジン１に
おいて、各気筒２の燃焼室６をペントルーフ型燃焼室の
一般的な構造の通り、吸気ポート１０，１０の開口径を
排気ポート１１，１１よりも大きくして、点火プラグ１
６は気筒中心線Ｚよりも排気側寄りに配置しながら、該
吸気ポート１０，１０の各開口部の位置を排気ポート１
１，１１に比べて高くなるようにずらして配置し、その
分、インジェクタ１８の噴口を気筒２の内周側に位置付
けることにより、前記実施形態１のエンジン１と同様
に、気筒２の半径が相対的に大きいときでもインジェク
タ１８の噴口と点火プラグ１６電極との間の距離を相対
的に短い適切な範囲に収めることができ、これにより、
点火プラグ１６電極付近の混合気濃度を十分に高くし
て、良好な着火安定性を確保することができる。

【００９１】（他の実施形態）本発明の構成は前記実施
形態のものには限定されず、その他の種々の構成を包含
するものである。すなわち、前記実施形態１、２では、
いずれも、燃焼室６の天井壁６０に開口する２つの吸気
ポート１０，１０及び２つの排気ポート１１，１１を、
それぞれ開口部の直径の等しいものとしているが、これ
に限るものではなく、例えば、２つの吸気ポート１０，
１０のうちの一方の開口部を他方の開口部に比べて大径
としてもよい。

【００９２】また、前記実施形態２では、燃焼室天井壁
６０の吸気側傾斜面６０ａにおいて各吸気ポート１０の
開口部を取り囲む円環状凹部１０ａを形成し、該各吸気
ポート１０の開口部だけを吸気側傾斜面６０ａから上方
にずらすようにしているが、これに限らず、例えば、吸
気側傾斜面６０ａ全体を上方にずらすようにしてもよ
い。

【００９３】

【発明の効果】以上、説明したように、請求項１の発明
に係る火花点火式直噴エンジンによると、ペントルーフ
型燃焼室の天井部の吸気側周縁部に燃料噴射弁の噴口を
臨ませ、成層燃焼運転時には前記燃焼室を流れるタンブ
ル流に対向するように燃料を噴射させて、点火プラグ電
極の付近に混合気を滞留させるようにしたものにおい
て、前記燃焼室の天井壁に開口する２つの吸気ポート開
口部同士の間隔を２つの排気ポート開口部同士の間隔よ
りも大きくし、点火プラグを気筒中心線よりも吸気側寄
りに配置して、その電極と燃料噴射弁の噴口とを近付け
ることで、両者の間隔を気筒半径の大小に拘わらず適切
な範囲に収めることができ、エンジンの気筒半径が相対
的に大きいときであっても、点火プラグの電極付近の混
合気濃度を十分に高めて、良好な着火安定性を確保する
ことができる。

【００９４】請求項２の発明によると、燃料噴射弁の噴
口をペントルーフの傾斜面よりも外側に位置付けて所定
温度以下に維持することで、カーボンデポジットの堆積
を未然に防止できる。

【００９５】請求項３の発明によると、吸気ポート及び
排気ポートの各開口部をそれぞれ同径のものとし、且つ
吸気ポート開口部の直径を排気ポート開口部の直径以下
とすることで、該各開口部の面積をそれぞれ確保しなが
ら、吸気ポート開口部同士の間隔を容易に大きくでき
る。

【００９６】請求項４の発明によると、吸気弁の作動角
ないしリフト量を高速側ないし高負荷側で排気側よりも
大きくすることで、吸気ポート開口部の面積が相対的に
小さくても、吸気抵抗を比較的小さくしつつ、十分な吸
気充填量を確保できる。

【００９７】請求項５の発明によると、過給機を備える
ことで、吸気ポート開口部の面積が相対的に小さくても
十分な吸気充填量を容易に確保できる。

【００９８】また、請求項６の発明に係る火花点火式直
噴エンジンによると、ペントルーフ型燃焼室の天井部の
吸気側周縁部に燃料噴射弁の噴口を臨ませ、成層燃焼運
転時には前記燃焼室を流れるタンブル流に対向するよう
に燃料を噴射させて、点火プラグ電極の付近に混合気を
滞留させるようにしたものにおいて、ペントルーフ型燃
焼室の天井部において吸気ポートの開口部を排気ポート
の開口部よりも高い位置にずらして配置し、その分、燃
料噴射弁の噴口を点火プラグの電極に近付けたことで、
請求項１の発明と同様に、エンジンの気筒半径が相対的
に大きいときであっても、点火プラグの電極付近の混合
気濃度を十分に高めて、良好な着火安定性を確保するこ
とができる。

【００９９】請求項７の発明によると、吸気ポートの開
口部を吸気側傾斜面からずらして形成することで、前記
請求項６の発明の効果を十分に得られるとともに、製造
コストの大幅な低減が図られる。

【０１００】請求項８の発明によると、自然吸気式エン
ジンにおいて吸気充填量を確保しながら、ポンプ損失の
低減が図られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１に係る火花点火式直噴エン
ジンの各気筒毎の燃焼室天井部の構成を示す図である。

【図２】エンジンの全体構成図である。

【図３】気筒列方向に見た燃焼室の縦断面図である。

【図４】(a)ピストン冠面の構成を示す上面図、(b)Ｙ方
向に見たピストンの縦断面図及び(c)Ｘ方向に見たピス
トンの縦断面図である。

【図５】気筒中心線に沿って見て、ピストン冠面の凹部
とインジェクタからの燃料噴霧との相互の位置関係を示
す説明図である。

【図６】気筒列方向に見て、点火プラグ電極及びインジ
ェクタ噴口の間の距離と該点火プラグ電極及び燃料噴霧
中心線の間の距離との関係を示す説明図である。

【図７】インジェクタからの燃料噴霧の拡がり角の定義
を示す説明図である。

【図８】燃料噴霧内の燃料の密度分布と噴霧中心線から
の距離との関係を調べた実験結果の一例を示すグラフ図
である。

【図９】成層燃焼状態において気筒の吸気行程で燃焼室
にタンブル流の生成される様子を示す説明図である。

【図１０】成層燃焼状態において気筒の圧縮行程中期以
降にタンブル流に衝突するように噴射される燃料噴霧の
様子を示す説明図である。

【図１１】成層燃焼状態において気筒の点火時期近傍で
点火プラグの電極付近に滞留する混合気の様子を示す説
明図である。

【図１２】均一燃焼状態において気筒の吸気行程で燃焼
室に生成されるタンブル流及びインジェクタからの燃料
噴霧の様子を示す説明図である。

【図１３】実施形態２に係る図１相当図である。

【図１４】実施形態２に係る図３相当図である。

【符号の説明】

１ 火花点火式直噴エンジン ２ 気筒 ５ ピストン ６ 燃焼室 １０ 吸気ポート １０ａ 環状凹部 １１ 排気ポート １６ 点火プラグ １８ インジェクタ（燃料噴射弁） ４０ ターボ過給機（過給機） ５０ ピストン冠面の凹部 ６０ 燃焼室天井壁 ６０ａ 吸気側傾斜面 ６０ｂ 排気側形斜面 Ｆ 燃料噴霧中心線 Ｔ タンブル流 Ｚ 気筒中心線 ｚ１ 点火プラグ軸線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｆ 1/24 Ｆ０２Ｆ 1/24 Ｊ 1/42 1/42 Ｋ Ｆ０２Ｍ 61/14 ３１０ Ｆ０２Ｍ 61/14 ３１０Ｚ 69/04 69/04 Ｐ (72)発明者 丸原 正志 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 太田 統之 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 陰山 明 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 山川 正尚 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 竹内 暢男 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 AA01 AA15 AB03 AC05 AD02 AD04 AD06 AD09 AD29 AF03 AG01 3G024 AA04 AA09 AA11 AA14 DA01 DA06 DA25 3G066 AA02 AB02 AD12 BA14 CC48 3G092 AA01 AA06 AA09 AA10 AA11 AA18 DA01 DA03 DA12 EA01 FA02 GA06 GA18

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ペントルーフ型燃焼室の天井部に点火プ
   ラグを配設し、この天井部の吸気側及び排気側の傾斜面
   にそれぞれ吸気及び排気ポートを２つずつ開口させると
   ともに、吸気側の燃焼室周縁部に燃料噴射弁を配設し
   て、成層燃焼運転時には前記燃焼室を流れるタンブル流
   に対向するように前記燃料噴射弁により燃料を噴射させ
   て点火プラグの電極周りに成層化させるようにした火花
   点火式直噴エンジンにおいて、 前記燃料噴射弁による燃料の噴射方向は、気筒列方向に
   見て、燃料噴霧の中心線と点火プラグの軸線とが交わる
   位置が該点火プラグの電極からピストン冠面側に離間す
   るように設定され、 前記燃焼室の天井部を気筒中心線に沿って見て、２つの
   吸気ポートの開口部同士の間隔が２つの排気ポートの開
   口部同士の間隔よりも大きく、且つ、前記点火プラグの
   電極が気筒中心よりも吸気側寄りに位置することを特徴
   とする火花点火式直噴エンジン。
2. 【請求項２】 請求項１において、 燃料噴射弁の噴口は、気筒列方向に見て、吸気側傾斜面
   の外周側の端部よりも外周側に位置することを特徴とす
   る火花点火式直噴エンジン。
3. 【請求項３】 請求項１又は２のいずれかにおいて、 ２つの吸気ポート及び排気ポートはそれぞれ開口部が同
   径であり、且つ該吸気ポート開口部の直径が排気ポート
   開口部の直径以下であることを特徴とする火花点火式直
   噴エンジン。
4. 【請求項４】 請求項３において、 吸気側の弁揚程特性は、少なくとも高速側ないし高負荷
   側の均一燃焼状態において作動角又はリフト量の少なく
   とも一方が排気側よりも大きくなるように設定されてい
   ることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
5. 【請求項５】 請求項３において、 燃焼室へ吸気を過給する過給機を備えることを特徴とす
   る火花点火式直噴エンジン。
6. 【請求項６】 ペントルーフ型燃焼室の天井部に点火プ
   ラグを配設し、この天井部の吸気側及び排気側の傾斜面
   にそれぞれ吸気及び排気ポートを２つずつ開口させると
   ともに、吸気側の燃焼室周縁部に燃料噴射弁を配設し
   て、成層燃焼運転時には前記燃焼室を流れるタンブル流
   に対向するように前記燃料噴射弁により燃料を噴射させ
   て点火プラグの電極周りに成層化させるようにした火花
   点火式直噴エンジンにおいて、 前記燃料噴射弁の噴口は、気筒列方向に見て、気筒の外
   周端よりも内周側に位置し、 前記燃料噴射弁による燃料の噴射方向は、気筒列方向に
   見て、燃料噴霧の中心線と点火プラグの軸線とが交わる
   位置が該点火プラグの電極からピストン冠面側に離間す
   るように設定され、 前記吸気ポートの開口部は、気筒列方向に見て、排気ポ
   ートの開口部よりもピストン冠面から遠くなるようにず
   らして配置されていることを特徴とする火花点火式直噴
   エンジン。
7. 【請求項７】 請求項６において、 燃焼室天井部の吸気側傾斜面には、吸気ポート開口部の
   全周を取り囲むように円環状凹部が形成されていて、該
   吸気ポート開口部が吸気側傾斜面よりも深い位置に形成
   されていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
8. 【請求項８】 請求項６において、 ２つの吸気ポート及び排気ポートはそれぞれ開口部が同
   径であり、且つ該吸気ポート開口部の直径が排気ポート
   開口部の直径よりも大きいことを特徴とする火花点火式
   直噴エンジン。