JP2003254067A - 火花点火式直噴エンジンの燃焼室構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エンジン１の成層燃焼運転時に気筒内燃焼室
６においてインジェクタ１８に向かうタンブル流Ｔを生
成し、このタンブル流Ｔに対し逆行するように燃料を噴
射させて、気筒２の点火時期に点火プラグ１６の電極近
傍に可燃混合気を滞留させるようにしたものにおいて、
その滞留時間を長くして点火時期制御の自由度を向上さ
せる。 【解決手段】 気筒２にペントルーフ型の燃焼室６を設
け、該燃焼室６の吸気側傾斜面２１の上端部を吸気ポー
ト開口１０ａと排気ポート開口１１ａとの中央よりも排
気側寄りに位置付け、該上端部から下方へ延びる縦壁面
２４を設け、排気側傾斜面２２の上端部を縦壁面２４の
下端部に連続させて、天井部２０に段差部２３を形成す
る。圧縮行程後期において天井部２０に沿って排気側へ
流れるタンブル流Ｔを段差部２３の縦壁面２４に衝突さ
せて弱める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気筒内に直接噴射
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可燃混合気を滞留させるようにした
火花点火式直噴エンジンに関し、特に、可燃混合気の点
火プラグ周りへの滞留時間を長く確保するようにした燃
焼室の構造の技術分野に属する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種の火花点火式直噴エン
ジンとして、例えば特開２０００−２０４９５４号公報
に開示されるように、インジェクタによる燃料噴霧の貫
徹力と気筒内に生成したタンブル流の強さとをバランス
させて、可燃混合気を点火プラグの電極周りに成層化さ
せるようにしたものがある。このエンジンでは、燃焼室
をペントルーフ型とし、該燃焼室の天井部の吸気側傾斜
面に開口する吸気ポートの下流端から気筒内へ吸入した
吸気によって、ピストン冠面に沿って排気側から吸気側
へ流れるようなタンブル流を生成している。そして、こ
のタンブル流に逆行するように気筒の圧縮行程の期間内
で燃料を噴射させて、その燃料噴霧を天井部略中央に配
設された点火プラグの電極近傍へ搬送するようにしてい
る。

【０００３】また、前記従来例のようにタンブル流によ
り点火プラグ近傍に可燃混合気を成層化させる火花点火
式直噴エンジンにおいて、スキッシュ流を利用して可燃
混合気の電極周りへの滞留時間を長くするようにしたも
のがある。例えば、特開２００１−９８９４５号公報に
開示されるものでは、排気側に生成されるスキッシュ流
が点火プラグの電極に向かって比較的強く流れるよう
に、吸気側と排気側とのスキッシュエリアの形状を互い
に異ならせている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、混合気が点
火プラグ近傍に到達した後も、タンブル流は残ってお
り、エンジンの気筒の内径が比較的大きい場合には、こ
の気筒内の燃焼室に生成されるタンブル流も大きなもの
となるので、前記両従来例の如く点火プラグの電極近傍
に成層化した可燃混合気がタンブル流の排気側へ向かう
成分によって流され易くなる。

【０００５】このことを気筒の燃焼室天井部近傍におけ
るタンブル流Ｔの流れを示す図１０（ａ）に基づいて説
明すると、タンブル流Ｔは矢印で示すように天井部１０
１の吸気側傾斜面１０２から排気側傾斜面１０３に沿っ
て流れていて、点火プラグ（電極位置を＋で示す）の周
りに仮想線で示すように混合気が成層化した後も、ピス
トン２００冠面と燃焼室１００の天井部１０１との間の
空間に残り、このようになると、同図（ｂ）に示すよう
に、点火プラグの電極の付近に到達した可燃混合気がす
ぐに排気側へ流されるようになり、混合気全体の濃度が
低下してしまうので、後者の従来例（特開２００１−９
８９４５号）のようにスキッシュ流により可燃混合気を
押し留めるようにしたとしても、それだけでは可燃混合
気の点火プラグ周りへの滞留時間を十分に長くできず、
点火時期制御の自由度が極めて低かった。

【０００６】本発明は斯かる諸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、気筒にペントルーフ
型の燃焼室を設け、成層燃焼運転時にピストンの冠面に
沿うように排気側から吸気側へ流れるタンブル流によっ
て燃料噴霧の挙動を制御して混合気の適切な成層化を図
るようにした火花点火式直噴エンジンにおいて、圧縮行
程後期における可燃混合気の点火プラグ周りへの滞留時
間を比較的長くして点火時期制御の自由度を向上させる
ことにある。

【０００７】

【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、燃焼室の天井壁の吸気側傾
斜面と排気側傾斜面との境界に、圧縮行程後期において
天井壁に沿って流れるタンブル流を弱めるように段差部
を形成するようにした。

【０００８】具体的には、請求項１の発明では、気筒の
燃焼室をペントルーフ型とし、該燃焼室の天井壁周縁部
に燃料噴射弁を設け、該天井壁の略中央部に点火プラグ
を配置し、成層燃焼運転時にピストンの冠面に沿うよう
に排気側から吸気側へ流れるタンブル流を生成し、前記
燃料噴射弁により該タンブル流に対向するように燃料を
噴射させて、気筒の点火時点で点火プラグの電極周りに
可燃混合気を成層化させるようにした火花点火式直噴エ
ンジンの燃焼室構造を前提とする。そして、前記燃焼室
の天井壁を、吸気ポートが開口する吸気側傾斜面と、排
気ポートが開口する排気側傾斜面とを有するものとし、
前記天井壁の吸気側傾斜面と排気側傾斜面との境界に
は、排気側傾斜面の上端部が吸気側傾斜面の上端部より
も下方に位置するように段差部を形成する構成とする。

【０００９】すなわち、まず、前記の前提となるエンジ
ンによれば、成層燃焼運転時に吸気ポートから気筒の燃
焼室へ吸入された吸気は、排気側の気筒内周面に沿うよ
うに下方へ向かい、その後、ピストンの冠面に沿って吸
気側へ流れるタンブル流を形成する。そして、前記タン
ブル流に対向するように燃料噴射弁から燃料が噴射され
ると、タンブル流により燃料噴霧が減速されて点火プラ
グの電極周りに可燃混合気が成層化されるようになる。
このとき、燃焼室をペントルーフ型としているので、タ
ンブル流の渦中心は燃焼室の略中央部に位置し、圧縮行
程における燃料噴射時期になっても燃焼室天井壁とピス
トン冠面との間に適切な空間が確保されて、タンブル流
の保存性が向上する。つまり、この前提となるエンジン
によれば、燃料噴霧をタンブル流によって確実に減速さ
せて点火プラグの電極付近に到達させることができる。

【００１０】ここで、燃焼室のタンブル流は上述の如く
混合気を点火プラグの電極付近に到達させた後も消滅す
ることなく、ピストン冠面の吸気側から上方へ流れて燃
焼室の天井壁に沿って排気側へ向かう成分を有してお
り、この流れによって点火プラグ周りに到達した可燃混
合気がさらに排気側へ運ばれる傾向がある。

【００１１】これに対し、前記発明の特徴構成によれ
ば、燃焼室の天井壁の吸気側傾斜面と排気側傾斜面との
境界に、排気側傾斜面の上端部が吸気側傾斜面の上端部
よりも下方に位置するように段差部を形成したので、圧
縮行程後期において燃焼室の天井壁に沿って流れるタン
ブル流が段差部に衝突して大幅に弱められるようにな
る。このことで、点火プラグ周りに到達した可燃混合気
が排気側へ大きく押し流されるようになることはなくな
り、混合気の点火プラグ周りの滞留時間を十分に確保で
きる。

【００１２】請求項２の発明では、請求項１の発明にお
いて、前記段差部を、吸気ポート開口の排気側縁部と排
気ポート開口の吸気側縁部との中央部よりも排気側寄り
に位置付けるものとする。このことで、段差部が吸気ポ
ートの開口よりも排気側に離間するので、吸気ポートか
らの新気の吸入をスムーズに行うことができる。すなわ
ち、段差部を設けても吸気ポートからの吸気量が制限さ
れることはなく、また、この吸気ポートからの吸気はピ
ストン冠面の排気側へ向かう流れであるので、前記段差
部がタンブル流の生成を阻害することもない。

【００１３】請求項３の発明では、請求項１の発明にお
いて、前記排気側傾斜面の下端部を気筒の排気側周縁部
よりも径方向の内方側に位置付けるものとする。このこ
とで、燃焼室の容積を小さくできるので、気筒の内径が
比較的大きい場合でもタンブル流がコンパクトなものと
なり、混合気が排気側へ流されることを抑制できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。

【００１５】図１は、本発明の実施形態に係る火花点火
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、該
各気筒２内にピストン５が往復動可能に嵌挿されてい
て、そのピストン５とシリンダヘッド４との間の気筒２
内に燃焼室６が区画されたものである。また、シリンダ
ブロック３におけるクランクケース部内にはクランク軸
７が回転自在に支持されていて、このクランク軸７及び
ピストン５がコネクティングロッド８により連結されて
いる。また、クランク軸７の一端側にはその回転角度を
検出する電磁式のクランク角センサ９が配設されてい
る。

【００１６】前記各気筒２の天井部２０には、詳細は後
述するが、図２に拡大して示すように略中央部からシリ
ンダヘッド４の吸気側の下端面付近まで延びる吸気側傾
斜面２１と、排気側の下端面付近まで延びる排気側傾斜
面２２とがそれぞれ形成されていて、燃焼室６はそれら
の傾斜面２１，２２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とされている。そ
して、図３に示すように、吸気側傾斜面２１及び排気側
傾斜面２２にそれぞれ吸気ポート１０及び排気ポート１
１が２つずつ開口していて、その各開口端１０ａ，１１
ａに吸気及び排気弁１２，１２，１３，１３（図２に示
す）が配置されている。

【００１７】また、各気筒２毎に燃焼室６の上方には前
記吸気及び排気弁１２，１３に取り囲まれるように、天
井部２０の略中央部に点火プラグ１６が配設されてい
る。この点火プラグ１６は、図３及び図４に示すよう
に、点火プラグ１６先端の電極を通る中心線Ｐが気筒中
心線Ｚよりも排気側へ僅かに（約１ｍｍ）離れた状態で
配置されている。一方、該点火プラグ１６の基端部には
点火回路１７（図１にのみ示す）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。

【００１８】前記２つの吸気ポート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１の右側面）に互いに独立
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１の左側面）に開口している。

【００１９】前記吸気弁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
により開作動されるものであり、該２本のカム軸１４，
１４がそれぞれ図示しないタイミングベルトにより前記
クランク軸７に同期して回転されることで、吸気弁１２
及び排気弁１３がそれぞれ各気筒２毎に所定のタイミン
グで開閉作動される。また、前記吸気側のカム軸１４に
は、クランク軸７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公知の可変動弁機構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の作動時期が変更されるようになっている。

【００２０】また、前記燃焼室６の底部となるピストン
５の冠面にはその中央部にレモン型の凹部５ａが設けら
れるとともに、該凹部５ａの外側の部分は燃焼室６の天
井部２０に対応する山型に形成されている。

【００２１】一方、前記燃焼室６の周縁部には、２つの
吸気ポート１０，１０の下方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。該インジェ
クタ１８と前記ピストン５冠面の凹部５ａとの配置関係
について説明すると、図２及び図４に示すようにピスト
ン５冠面の凹部５ａは、その長さ方向がインジェクタ１
８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）と大略一致するように配設されている。このこと
で、後述の如く気筒２の圧縮行程において燃焼室６に生
成されるタンブル流Ｔは該凹部５ａの形状に沿ってスム
ーズに流れ、その保持性が向上するとともに、タンブル
流Ｔが燃料噴霧を包み込むようにインジェクタ１８に向
かって安定して流れるようになる。

【００２２】前記インジェクタ１８，１８，…は全ての
気筒２，２，…に共通の燃料分配管１９に接続されてい
て、燃料供給系（図１に仮想線で示す）から供給される
高圧の燃料が該燃料分配管１９により各気筒２に分配さ
れるようになっている。この燃料供給系には、図示しな
いが高圧ポンプとレギュレータとが設けられており、各
インジェクタ１８へは、気筒２の圧縮行程で噴射可能な
燃圧で燃料が供給されるようになっている。

【００２３】前記図１に示すように、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３０が接続されている。この吸気通路３
０は、エンジン１の燃焼室６に対し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に吸入される吸入空気量を検出するエアフローセン
サ３１と、吸気通路３０を絞る電気式スロットル弁３２
と、サージタンク３３とがそれぞれ配設されている。前
記電気式スロットル弁３２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、図示しない電動式駆
動モータにより駆動されて所望の開度となるように開閉
される。

【００２４】また、前記サージタンク３３よりも下流側
の吸気通路３０は、途中で分岐してそれぞれ各気筒２毎
の吸気ポート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、前記図２にも
示すように、燃焼室６におけるタンブル流Ｔの流速を調
節するための吸気流動調節弁３４が配設され、例えばス
テッピングモータ３５（図２にのみ示す）によって開閉
作動されるようになっている。この吸気流動調節弁３
４，３４はいずれも円形の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３４ａよりも下
側の部分を切り欠いている。そして、吸気流動調節弁３
４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、吸気流動調節弁３４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。

【００２５】前記図１におけるエンジン１の他側面に
は、燃焼室６からの排気を排出する排気通路３６が接続
されている。この排気通路３６の上流端部は、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
３７であり、該排気マニホルド３７の集合部には排気中
の酸素濃度を検出するＯ2センサ３８が配設されてい
る。

【００２６】また、前記排気マニホルド３７の集合部に
は、排気管３９の上流端が接続されており、一方、該排
気管３９の下流端には排気を浄化するための触媒４０が
接続されている。さらに、この排気管３９の上流側に
は、排気通路３６の排気の一部を吸気通路３０に還流さ
せるＥＧＲ通路４３の上流端が分岐接続されていて、こ
のＥＧＲ通路４３の下流端は前記サージタンク３３に接
続されている。

【００２７】前記可変動弁機構１５、点火プラグ１６の
点火回路１７、インジェクタ１８、電気式スロットル弁
３２、吸気流動調節弁３４等は、いずれもエンジンコン
トロールユニット５０（以下、ＥＣＵという）によって
作動制御される。一方、このＥＣＵ５０には、前記クラ
ンク角センサ９、エアフローセンサ３１等からの各出力
信号が入力され、さらに、アクセル開度、即ち図外のア
クセルペダルの踏込み量を検出するアクセル開度センサ
５１からの出力信号と、エンジン１の回転速度（クラン
ク軸７の回転速度）を検出する回転速度センサ５２から
の出力信号とが入力されるようになっている。

【００２８】すなわち、前記ＥＣＵ５０は、各センサか
ら入力される信号に基づいて、吸気弁１２の作動時期、
各気筒２毎の点火プラグ１６による点火時期、インジェ
クタ１８による燃料噴射量及び噴射時期、スロットル弁
３２により調節される吸入空気量、吸気流動調節弁３４
により調節されるタンブル流の強さ等をそれぞれエンジ
ン１の運転状態に応じて制御するようになっている。こ
れにより、温間状態であればエンジン１は成層燃焼状態
と均一燃焼状態とに切換えて運転される。

【００２９】具体的には、エンジン１の温間状態では低
負荷かつ低回転側の設定運転領域が成層燃焼領域とさ
れ、インジェクタ１８により気筒２の圧縮行程における
所定時期に燃料を噴射させて、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モー
ドになる。

【００３０】すなわち、エンジン１が成層燃焼領域にあ
るときには、各気筒２の吸気行程で生成されるタンブル
流Ｔを当該気筒２の圧縮行程後期まで保持させるととも
に、このタンブル流Ｔに対し略正対する方向から適切な
貫徹力でもって衝突するように、燃料を噴射させる。こ
うすることで、燃料噴霧はタンブル流Ｔにより徐々に減
速されながら点火プラグ１６側に移動し、その間に燃料
液滴の気化霧化や空気との混合が促進されて、当該気筒
２の点火時期において図５に斜線を入れて示すように可
燃混合気となって、点火プラグ１６の電極近傍に滞留す
るようになる。

【００３１】一方、前記成層燃料領域以外の領域は、均
一燃焼領域とされており、インジェクタ１８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≒１
４．７）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。

【００３２】前記エンジン１が成層燃焼運転状態にある
ときは、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、図６に示すように開状態の吸気弁
１２の傘部と吸気ポート開口端１０ａとの間隙から吸気
が燃焼室６へ流入し、矢印に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、主に吸気ポート開口端１０
ａの点火プラグ１６寄りの部位から燃焼室６に流れ込
み、ピストン５のさらなる下降に伴い排気側の気筒２内
周面に沿うように下方へ向かい、その後、ピストン５の
冠面に沿って吸気側へ曲げられ、そこからさらに上方へ
向かって流れて、燃焼室６の全体に亘って縦方向に旋回
するタンブル流Ｔとなる。

【００３３】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、図７に示
すように、このピストン５の上昇に伴う燃焼室６容積の
減少によりタンブル流Ｔは潰されてコンパクトになる。
この際、当該気筒２の圧縮行程中期以降においても、ペ
ントルーフ型燃焼室６の天井部２０とピストン５冠面の
凹部５ａとの間に適切な大きさ及び形状の空間が残され
ているため、タンブル流Ｔは当該気筒２の圧縮行程中期
以降まで崩壊することなく、保存される。また、ピスト
ン５の冠面に沿って排気側から吸気側（図の左側から右
側）に流れるタンブル流Ｔは凹部５ａにより案内され
て、インジェクタ１８の噴孔に向かって流れることにな
る。

【００３４】そして、インジェクタ１８により燃料が噴
射されると、この燃料噴霧の下方部の大部分が、ピスト
ン５冠面の凹部５ａに沿って流れるタンブル流Ｔの流れ
の強いところ（主流）に略正対するように衝突し、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、
徐々に減速される。その後、吸気側を上昇するタンブル
流によって燃料噴霧が全体的に上方へ運ばれ、さらに該
タンブル流の燃焼室天井部２０に沿う流れによって点火
プラグ１６近傍に運ばれて電極周りに適切な濃度状態の
可燃混合気層を形成する。

【００３５】その際、図１０に示す従来例（特開２００
０−２０４９５４号）の火花点火式直噴エンジンの燃焼
室１００のように、ペントルーフ型燃焼室の天井部１０
１の吸気側傾斜面１０２と排気側傾斜面１０３とが該天
井部１０１の略中央に位置する綾線によって比較的滑ら
かに連なっているような場合には、一旦、点火プラグ近
傍に到達した可燃混合気が、その後すぐに、天井部１０
１近傍を流れるタンブル流Ｔによって排気側へ流されて
拡散してしまうことがあった。すなわち、タンブル流Ｔ
は可燃混合気を点火プラグ周りに運んだ後も直ちに消滅
するわけではなく、燃焼室１００の天井部１０１とピス
トン２００冠面の凹部２００ａとの間の空間に残り、前
記の滑らかな天井部１０１に沿って吸気側から排気側へ
スムーズに流れるようになるから、可燃混合気がこの流
れに乗って流されてしまうことがあった。このため、前
記従来例のものでは混合気に安定して着火可能なタイミ
ングが狭い範囲に限定されてしまうという問題があっ
た。

【００３６】そのことに対し、この実施形態では本願発
明の特徴構成として、前記燃焼室６の天井部２０の中央
よりも排気側寄りに、圧縮行程後期において天井部２０
に沿って流れるタンブル流Ｔを弱めるように段差部２３
を形成した。すなわち、図８に示すように、天井部２０
の吸気側傾斜面２１の上端部は天井部２０の略中央部に
対応する部位が略水平に形成され、該水平部分の排気側
端部は吸気ポート開口１０ａと排気ポート開口１１ａと
の中央よりも排気側に位置付けられている。この水平部
分の排気側端部は気筒２の径方向両端に亘るように直線
的に延びており、該端部にはそこから下方へ略鉛直に延
びる平坦な縦壁面２４が連なっている。さらに、この縦
壁面２４の下端部に前記排気側傾斜面２２の上端部が連
なっていて、この排気側傾斜面２２の下端部は気筒２の
排気側内周面よりも所定距離気筒２の径方向内方に位置
している。

【００３７】このことで、圧縮行程後期に天井部２０を
沿うように流れるタンブル流Ｔは、段差部２３の縦壁面
２４に衝突して大幅に弱まるので、点火プラグ１６の周
りに到達した可燃混合気がタンブル流Ｔにより排気側へ
押し流されることを十分に抑制できる。また、排気側傾
斜面２２の上端部が吸気側傾斜面２１の上端部よりも下
方に位置し、かつその下端部が気筒２の径方向内方に位
置するように排気側傾斜面２２を全体的に下げているの
で、排気側傾斜面２２を所期の傾斜角度としたまま全体
的に下方に位置させることができ、このことで、ペント
ルーフ型の燃焼室形状を維持させてタンブル流Ｔを狙い
通りに生成することができる。加えて、そのように排気
側傾斜面２２を位置付けることにより、段差部２３で流
れが下向きに変化したタンブル流Ｔはその中心が気筒２
の中心よりも吸気側寄りに位置するコンパクトなものと
なるとともに、燃焼室６容積の排気側を相対的に小さく
して圧縮行程後期の天井壁２０に沿うタンブル流Ｔの排
気側への流れを抑制できる。

【００３８】そして、前記のようにして気筒２の圧縮行
程後期まで点火プラグ１６の電極周りに適切な濃度状態
の可燃混合気層を滞留させた後、点火プラグ１６に通電
されることよって、該点火プラグ１６により可燃混合気
層に点火される。

【００３９】尚、気筒２に可燃混合気が成層化される圧
縮行程において、この行程の前期から中期にかけては、
燃焼室６の天井部２０とピストン５冠面の凹部５ａとの
間の空間が十分に大きいため、タンブル流Ｔは段差部２
３の影響を殆ど受けることはない。

【００４０】したがって、この実施形態によると、ペン
トルーフ型の燃焼室６を設けて、成層燃焼運転時にピス
トン５冠面に沿って吸気側へ流れるタンブル流Ｔを生成
し、インジェクタ１８により該タンブル流Ｔに対向する
ように燃料を噴射させて点火プラグ１６の電極周りに可
燃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１において、燃焼室６の天井部２０における吸気側
傾斜面２１の上端部から下方へ延びる縦壁面２４を設
け、該縦壁面２４の下端部に排気側傾斜面２２の上端部
が連なるようにして圧縮行程後期に天井部２０に沿って
流れるタンブル流Ｔを弱めるための段差部２３を設けた
ので、電極周りに到達した可燃混合気がタンブル流Ｔに
よって排気側へ押し流されることを抑制し、該可燃混合
気の電極周りへの滞留時間を長くして、点火時期制御の
自由度を高めることができる。

【００４１】具体的には、図９に示すように点火プラグ
１６の電極位置における空燃比の状態を気筒２の圧縮上
死点前（BTDC）６０゜〜圧縮上死点までの期間で測定し
た結果を表すグラフによると、従来の直噴エンジン（破
線で示す）では着火可能な混合気が電極位置へ滞留して
いる期間は圧縮上死点前（BTDC）約２５゜〜４０゜の範
囲であるのに対し、この実施形態の直噴エンジンでは、
圧縮上死点前（BTDC）約１５゜〜４０゜の範囲まで拡大
できていることが判る。

【００４２】これにより、多様な部品のバラツキや各種
の制御バラツキ等を考慮しても十分な燃焼安定性を保障
できる。また、点火時期のリタードビリティの向上によ
り、過早期燃焼が抑制され、良好な燃焼と低ＮＯｘ化が
実現できる。

【００４３】また、燃焼室６の段差部２３は、吸気ポー
ト開口１０ａと排気ポート開口１１ａとの中央よりも排
気側に位置していて、吸気ポート開口１０ａの縁部から
離れているので、吸気ポート開口１０ａと吸気弁１２の
傘部との間からの吸気の流入を阻害することは殆どな
い。すなわち、段差部２３の縦壁面２４が抵抗となって
吸気量が大きく制限されることはなく、また、気筒２に
流入した吸気を排気側へ大きく流すことができるのでタ
ンブル流の生成を阻害することはない。

【００４４】加えて、この実施形態のように可変動弁機
構１５は一般的に、吸気側にのみ配設する場合が多く、
このようなものにおいて、前記の如く吸気側傾斜面２１
を排気側傾斜面２２よりも相対的に上方に位置付けて吸
気弁１２とピストン５冠面とのクリアランスを確保し易
くしているので、可変動弁機構１５を設けることによる
ピストン５冠面の形状変更を最小限にできる。

【００４５】（他の実施形態）尚、本発明は前記実施形
態に限定されるものではなく、その他の種々の実施形態
を包含するものである。すなわち、前記実施形態では、
吸気側傾斜面２１と排気側傾斜面２２との間の縦壁面２
４を略鉛直な面としているが、これに限らず、例えば縦
壁面２４の上端部を吸気側に位置させるようにして該縦
壁面２４を傾斜させてもよい。また、該縦壁面２４は、
例えばその気筒２径方向中央部が両端部に比べて排気側
に位置するように湾曲させて形成してもよい。

【００４６】

【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、燃焼室をペント
ルーフ型とし、その天井壁周縁部に燃料噴射弁を設け、
該天井壁の略中央部に点火プラグを配置し、成層燃焼運
転時にピストンの冠面に沿うように排気側から吸気側へ
流れるタンブル流に対向するように燃料を噴射させて、
気筒の点火時点で点火プラグ周りに可燃混合気を成層化
させるようにしたものにおいて、前記天井壁の吸気側傾
斜面と排気側傾斜面との境界に排気側傾斜面の上端部が
吸気側傾斜面の上端部よりも下方に位置するように段差
部を形成したので、圧縮行程後期において天井壁に沿っ
て流れるタンブル流を大幅に弱めることができ、このこ
とで、可燃混合気の点火プラグ周りへの滞留時間を十分
に確保して点火時期制御の自由度を向上できる。

【００４７】請求項２記載の発明によると、前記段差部
を吸気ポート開口の排気側縁部と排気ポート開口の吸気
側縁部との中央部よりも排気側寄りに位置付けたので、
段差部を設けても気筒内への吸気量が制限されることは
なく、また、タンブル流の生成を阻害することもない。

【００４８】請求項３記載の発明によると、前記排気側
傾斜面の下端部を気筒の排気側周縁部よりも径方向の内
方側に位置付けたので、気筒の内径が比較的大きい場合
でもタンブル流をコンパクトなものとして、混合気が排
気側へ押し流されることを抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態に係るエンジンの全体構成図である。

【図２】ピストン冠面、吸気ポート、点火プラグ及びイ
ンジェクタの配置構成を示す斜視図である。

【図３】シリンダヘッドを下方から見た平面図である。

【図４】クランク軸線に沿って見た燃焼室近傍の縦断面
図である。

【図５】気筒の点火時期で点火プラグの電極近傍に滞留
する混合気の様子を示す図である。

【図６】気筒の吸気行程において燃焼室に生成されるタ
ンブル流の様子を示す図である。

【図７】気筒の燃料噴射時期でタンブル流に衝突するよ
うに噴射された燃料噴霧の様子を示す図である。

【図８】クランク軸線に沿って見た燃焼室の縦断面にお
いて、（ａ）は当該気筒の燃料噴射開始直前に天井部近
傍を流れるタンブル流の様子を示す図であり、（ｂ）は
当該気筒の圧縮行程後期で点火プラグの電極近傍に滞留
する混合気の様子を示す図である。

【図９】点火プラグの電極位置における空燃比の変化を
当該気筒の圧縮上死点前６０゜〜圧縮上死点までの期間
に亘って計測した結果について、従来の直噴エンジンと
対比して示すグラフ図である。

【図１０】従来の直噴エンジンの図８相当図である。

【符号の説明】

１ エンジン ２ 気筒 ５ ピストン ６ ペントルーフ型燃焼室 １０ 吸気ポート １０ａ 吸気ポート開口 １１ 排気ポート １１ａ 排気ポート開口 １６ 点火プラグ １８ インジェクタ（燃料噴射弁） ２０ 天井部（天井壁） ２１ 吸気側傾斜面 ２２ 排気側傾斜面 ２３ 段差部 Ｔ タンブル流

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (72)発明者 久慈 洋一 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 瀬戸 祐利 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 吉田 浩之 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 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 AB03 AC05 AD03 AD06 AD09 AG01 3G024 AA02 AA04 DA01 DA06 DA10

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気筒の燃焼室をペントルーフ型とし、該
   燃焼室の天井壁周縁部に燃料噴射弁を設け、該天井壁の
   略中央部に点火プラグを配置し、成層燃焼運転時にピス
   トンの冠面に沿うように排気側から吸気側へ流れるタン
   ブル流を生成し、前記燃料噴射弁により該タンブル流に
   対向するように燃料を噴射させて、気筒の点火時点で点
   火プラグの電極周りに可燃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の燃焼室構造において、 前記燃焼室の天井壁は、吸気ポートが開口する吸気側傾
   斜面と、排気ポートが開口する排気側傾斜面とを有し、 前記天井壁の吸気側傾斜面と排気側傾斜面との境界に
   は、排気側傾斜面の上端部が吸気側傾斜面の上端部より
   も下方に位置するように段差部が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の燃焼室構造。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記段差部は、吸気ポート開口の排気側縁部と排気ポー
   ト開口の吸気側縁部との中央部よりも排気側寄りに位置
   付けられていることを特徴とする火花点火式直噴エンジ
   ンの燃焼室構造。
3. 【請求項３】 請求項１において、 前記排気側傾斜面の下端部が気筒の排気側周縁部よりも
   径方向の内方側に位置付けられていることを特徴とする
   火花点火式直噴エンジンの燃焼室構造。