JP2003262132A - 火花点火式直噴エンジンの吸気装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 気筒２の燃焼室６へ向かって斜め下方に延び
る吸気ポート１０を形成し、成層燃焼運転時に吸気ポー
ト１０から流入する吸気流によってタンブル流Ｔを生成
し、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２３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吸気装置におい
て、吸気抵抗の低減と良好な成層燃焼運転の実現とを両
立する。 【解決手段】 吸気ポート１０をシリンダヘッド４の吸
気側の側面上部から燃焼室６まで延びる略直線的な形状
とし、該吸気ポート１０の下流側に膨出部５５，５５を
形成する。各膨出部５５のポート壁面に上流側傾斜面５
６と下流側傾斜面５７とを設け、シリンダヘッド４の下
面に対して下流側傾斜面５７の傾斜角度を吸気ポート軸
線Ｐよりも小さく設定する。成層燃焼運転時に吸気流動
調節弁３４を閉状態とし、前記下流側傾斜面５７によっ
て吸気を全体的に排気側へ指向させる。

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成層化させるようにし
た火花点火式直噴エンジンに関し、特に、燃焼室へ吸気
を導入する吸気ポートの構造の技術分野に属する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、例えば、特開２００１−５５
９２５号公報に開示されるように、燃料を燃焼室に直接
噴射して、気筒内に生成したタンブル流により点火プラ
グ周りに可燃混合気を成層化させるようにした火花点火
式直噴エンジンが知られている。このエンジンでは、吸
気ポートの形状を燃焼室へ向かって略直線的に延びる形
状とすることで、吸気を燃焼室へスムーズに流通させて
吸気抵抗を減少させるようにしている。

【０００３】一方、そのように吸気ポートの形状を直線
的な形状にすると、吸気が吸気ポートの下流端全周から
吸入されて吸気効率が向上する反面、燃料噴霧を確実に
減速させるような所要の強さのタンブル流を形成するこ
とが困難となる。すなわち、そのようなタンブル流を生
成するためには、吸気を主にポート下流端の点火プラグ
寄りの部位から排気側の気筒内周面へ向けて流入させる
ことが望ましいのであるが、前記従来例のものでは吸気
がポート下流端の全周から流入することになるので、該
ポート下流端の点火プラグ側からの流量が相対的に少な
くなり、そればかりか、反対に燃焼室の吸気側を指向す
る吸気の流量が多くなってタンブル流の生成が阻害され
るようになるのである。

【０００４】このことに対して、前記従来例の直噴エン
ジンの吸気装置では、吸気ポートの下流側をポート上壁
部を含む上側ポート部とポート下壁部を含む下側ポート
部とに区画する隔壁を設け、該隔壁の上流端に下側ポー
ト部を開閉する開閉弁を配設している。そして、エンジ
ンが回転速度の相対的に低い成層燃焼領域にあるときに
は前記下側ポート部を閉じることで、吸気が上側ポート
部のみを流通するようになり、この吸気の流れが主にポ
ート下流端の点火プラグ寄りの部位から気筒の排気側へ
流れ込むようになる。このことで、エンジン回転速度が
低い領域から所要の強さのタンブル流を生成できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記従来の
火花点火式直噴エンジンの吸気装置では、エンジン回転
速度が高くて吸気流量が相対的に多いときには、吸気抵
抗を低減するために吸気ポートの開閉弁を全開にするよ
うにしているが、吸気ポートの下流側略全体に亘って設
けられている隔壁が大きな抵抗となることは避けられな
いので、エンジンの高出力化が困難である。

【０００６】つまり、従来例のものでは、エンジン回転
速度が相対的に高い領域あるときの出力の向上と、エン
ジンが成層燃焼領域にあるときの良好な成層燃焼運転と
を両立させることができない。

【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、気筒内のタンブル流に
より点火プラグ周りに可燃混合気を成層化させるように
した火花点火式直噴エンジンにおいてその吸気ポートの
形状に工夫を凝らし、吸気抵抗を低減して高出力化を図
りながら、良好な成層燃焼運転を広い範囲で実現するこ
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、吸気ポートを略直線的に延
びるように形成するとともに、この吸気ポートの下流側
に膨出部を設けて、該膨出部のポート壁面に吸気の流れ
を燃焼室の排気側に指向させる吸気ガイド面を形成する
ようにした。

【０００９】具体的には、請求項１の発明では、エンジ
ンの気筒内燃焼室の天井部略中央に点火プラグを配設
し、該燃焼室の吸気ポート側の周縁部に燃料噴射弁を配
設し、シリンダヘッドの吸気側の側面から斜め下方に延
びて前記燃焼室の天井部に開口するように吸気ポートを
形成して、成層燃焼運転時には前記吸気ポートから流入
する吸気流によって前記燃焼室にタンブル流を生成させ
るとともに、このタンブル流に対向するように前記燃焼
噴射弁により燃料を噴射させて、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吸気装置を前提とする。そ
して、前記吸気ポートを略直線的に延びるように形成
し、該吸気ポートの下流端側にはその下壁部を下方へ膨
出させてなる膨出部を形成し、該膨出部のポート壁面に
は、シリンダヘッドの下面に対して吸気ポート上流側の
ポート軸線の傾斜角度よりも小さい傾斜角度を有する吸
気ガイド面を形成する構成とする。

【００１０】この構成によれば、エンジンの運転中に気
筒内の燃焼室に吸入される空気（吸気）は、全体として
略直線的に延びる吸気ポートの軸線に沿ってスムーズに
流れるとともに、該吸気ポートの下壁部に沿う流れがそ
の下流端側の膨出部に形成された吸気ガイド面によって
燃焼室の排気側へ向けられる。詳しくは、吸気ガイド面
のシリンダヘッドの下面に対する傾斜角度がポート軸線
に比べて小さいので、その吸気ガイド面によって案内さ
れる吸気流はシリンダヘッドの下面に対する気筒への流
入角度が吸気ポート軸線に沿う全体的な流れよりも小さ
くなるように曲げられる。そして、エンジンが低回転領
域にあって吸気流量が相対的に少ないときには、前記の
如く吸気ガイド面によって燃焼室の排気側に指向される
流れの影響が強くなるので、吸気を全体的に排気側の気
筒内周面に沿わせるように気筒内へ流入させることがで
き、これにより、所要の強さのタンブル流を生成でき
る。

【００１１】一方、エンジン回転速度が相対的に高いと
きには、吸気ポートの吸気流量が多くなって相対的に吸
気ガイド面の影響が弱くなるので、シリンダヘッドの吸
気側の側面から気筒の燃焼室へ向かって略直線的に斜め
下方へ延びる吸気ポートの軸線に沿って吸気がスムーズ
に流れ、かつ該吸気ポートの下流端全周から効率良く燃
焼室へ導入される。

【００１２】つまり、この発明によれば、吸気抵抗の増
大を回避して高出力を得ることを可能としながら、良好
な成層燃焼運転をエンジン回転速度の広い範囲に亘って
実現できる。

【００１３】請求項２の発明では、請求項１の発明にお
いて、前記燃焼室をペントルーフ型燃焼室とし、前記吸
気ガイド面の下流側の端部を、吸気ポートの下流端にお
ける点火プラグに最も近い部位と比較して略同じ高さな
いしそれよりも下方に位置付けるものとする。

【００１４】このことで、吸気ガイド面により排気側へ
向けられた流れが該吸気ガイド面に対向する点火プラグ
側の吸気ポート上壁部に殆ど邪魔されることなく、吸気
ポートの下流端から直接的に気筒内へ流入するので、吸
気抵抗をさらに低減できる。

【００１５】請求項３の発明では、請求項２の発明にお
いて、前記吸気ガイド面の下流側の端部を、吸気ポート
の下流端部よりも所定距離だけ上流に離れたポート壁面
に形成するものとする。このことで、吸気ポートの下流
端から該吸気ポートの上流へ所定距離離れた部位までの
間には膨出部が形成されないので、この吸気ポートの下
流端に近接して燃料噴射弁を配設する場合の配設スペー
スを確保できる。

【００１６】請求項４の発明では、請求項１の発明にお
いて、前記吸気ポートの膨出部を、該吸気ポート内へポ
ート壁面から突出するバルブガイド部に対応するように
形成するものとする。このことで、バルブガイド部によ
って吸気ポートの断面積が小さくなる部位に対応して膨
出部が形成されるので、そのバルブガイド部による吸気
ポートの断面積の縮小を補完して、スムーズに吸気を流
通させることができる。

【００１７】請求項５の発明では、請求項１の発明にお
いて、前記吸気ポートを気筒毎に２つずつ設け、前記燃
料噴射弁を、気筒中心線に沿って見て両吸気ポートの中
間に位置しかつ該両吸気ポートの膨出部の下方にそれら
に近接して配設し、該膨出部の膨出量を燃料噴射弁に近
接する部分ほど小さく設定するものとする。

【００１８】このことで、２つの吸気ポートの膨出部に
近接して燃料噴射弁を配設する場合に、膨出部の燃料噴
射弁に近接する部分ほど膨出量が小さくされているの
で、燃料噴射弁の配設スペースを容易に確保できる。す
なわち、吸気ポート内の吸気を排気側へ指向させる作用
を主に有するポート下端部の膨出量を大きくして吸気ガ
イド面の傾斜角度を所期のものとしながら、燃料噴射弁
のレイアウト自由度を確保できる。

【００１９】請求項６の発明では、請求項１の発明にお
いて、前記吸気ポートの膨出部よりも上流には、吸気の
絞り量を調節する吸気絞り弁を配設し、該吸気絞り弁
を、閉状態のときに吸気ポートの下壁部側から吸気を流
通させるように構成するものとする。このことで、吸気
流動調節弁を閉状態にすると吸気が全体的に吸気ポート
の下壁部に沿って流れるようになるので、吸気ガイド面
により吸気を排気側へ指向させる作用を高めることがで
きる。

【００２０】

【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。

【００２１】図１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、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。また、シリ
ンダヘッド４の下面は、図３に示すように、気筒２の中
心線Ｚに略直交する面とされている。尚、この明細書で
は、気筒２の中心線Ｚの延びる方向を上下方向とし、シ
リンダヘッド４側をエンジン１の上側と呼ぶ一方、シリ
ンダブロック３側をエンジン１の下側と呼ぶものとす
る。

【００２２】前記各気筒２の天井部２０には、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４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１１の下流端が２つず
つ開口していて、その下流端１０ａ，１０ａ，１１ａ，
１１ａに吸気弁１２，１２及び排気弁１３，１３（図２
に示す）が配置されている。前記２つの吸気ポート１
０，１０の上流端はエンジン１の一側面（図１の右側
面）に互いに独立して開口する一方、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。

【００２３】前記各吸気弁１２及び排気弁１３は、図２
及び図３に示すように、その軸部がそれぞれバルブガイ
ド部１４，１５により支持されており、該バルブガイド
部１４，１５は、各吸気弁１２及び排気弁１３の軸部が
挿通可能な円筒状に形成されていて、吸気側のバルブガ
イド部１４の下端部は吸気ポート１０の上壁部から該吸
気ポート１０内に突出している。

【００２４】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１６，１６
により開作動され、該２本のカム軸１６，１６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１
３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１６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１７が付設されてい
て、この可変動弁機構１７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。

【００２５】また、各気筒２毎に燃焼室６の上方には前
記吸気弁１２，１２及び排気弁１３，１３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２３が配
設されている。該点火プラグ２３の基端部には点火回路
２４（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２３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。

【００２６】また、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の先端
部は、前記燃焼室６の吸気側傾斜面２１の外周側におけ
る２つの吸気ポート１０，１０の間に開口する孔部２５
に収容されており、該インジェクタ１８の先端部と後述
する燃料分配管１９の接続される基端部との中間部には
大径部が形成されいる。また、インジェクタ１８は、図
２に示すように、大径部が２つの吸気ポート１０，１０
の下側の部分で挟まれるように、両者１０，１０に近接
した状態で配置されている。

【００２７】前記インジェクタ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、ピスト
ン５冠面の凹部５ａは、その長さ方向が気筒中心線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（この実施形態ではインジェクタ１８の軸線に一致す
る）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。

【００２８】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。この燃料供給系は、図示しない
が燃料を高圧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、そのときの余剰の燃料を燃料タン
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）に調節するものである。尚、前記燃料分配管１９
にはその内部の燃料の圧力状態を検出する燃圧センサ
（図示せず）が付設されている。

【００２９】また、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３０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。

【００３０】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。図２に示すよ
うに、この２つの吸気ポート１０，１０の双方の上流側
には、この吸気ポート１０，１０を流れる吸気を絞るこ
とによって燃焼室６におけるタンブル流Ｔの強さを調節
する吸気流動調節弁（吸気絞り弁）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３４，３４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３４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。

【００３１】尚、図示しないが、前記吸気ポート１０，
１０の断面形状を略矩形状とし、吸気流動調節弁３４，
３４を略矩形のバタフライバルブの下端側を切り欠いた
形状を有するようにしてもよい。すなわち、吸気流動調
節弁３４の弁軸３４ａよりも上側の形状を、吸気ポート
１０の上壁部の形状に対応させ、また、弁軸３４ａより
も下側の形状は、他方の吸気ポート１０に接近する部分
ほどこの吸気ポート１０の下壁部に近づくような形状と
し、これに対応して切り欠き部の形状は他方の吸気ポー
ト１０側に短辺が位置するような台形状となる。また、
切り欠き部の代わりにバタフライバルブの下側に孔部を
形成してその孔部から吸気を流通させるようにしてもよ
い。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】前記可変動弁機構１７、点火プラグ２３の
点火回路２４、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、燃料供給系の高圧レギュレ
ータ等は、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、燃料供給系の燃圧センサ等からの
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。

【００３５】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２３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Ｔ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。

【００３６】具体的には、成層燃焼状態では、図５に示
すように各気筒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。そして、
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、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
うして、図３に示すように、点火プラグ２３の近傍に混
合気が層状に偏在する状態で燃焼させる。

【００３７】一方、前記成層燃焼領域よりもエンジン回
転速度が高くかつ負荷が大きい領域では、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
燃焼させる均一燃焼状態になる。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）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、特に全負荷に近い
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。

【００３８】すなわち、エンジン１が成層燃焼領域にあ
るときには、燃料噴霧を狙い通りに減速させるように所
要の強さのタンブル流Ｔをこの成層燃焼領域における低
回転域から高回転域に亘って安定して形成する必要があ
る。一方、均一燃焼領域にあるときには、高出力を得る
ために吸気抵抗を低減して吸気流量を十分に確保するこ
とが求められる。

【００３９】このことに対して、本願発明の特徴構成と
して、吸気ポート１０，１０を基本的には直線的に延び
る形状とすることで吸気抵抗の低減を図りつつ、特に低
回転域で吸気ポート１０，１０から気筒２内へ流入する
吸気の流れを当該気筒２の排気側に指向させるように、
吸気ポート１０，１０の下流側の下壁部を下方へ膨出さ
せて吸気ガイド面を設けた。

【００４０】すなわち、図２、図７及び図９に示すよう
に、前記吸気ポート１０，１０は、前記シリンダヘッド
４の一側面の上部から燃焼室６の吸気側傾斜面２１まで
斜め下方へ略直線的に延びるように形成されており、こ
の吸気ポート１０，１０には、前記バルブガイド部１４
の下端部に対向する下壁部を下方へ膨出させてなる膨出
部５５が形成されている。

【００４１】前記膨出部５５が形成されている範囲は、
吸気ポート１０，１０の軸線Ｐ方向について、該吸気ポ
ート下流端１０ａ，１０ａの吸気側よりも所定距離吸気
ポート１０，１０の上流へ離れた部位から該吸気ポート
１０，１０の略中央部に亘っており、吸気ポート軸線Ｐ
の周方向について、吸気ポート１０の下壁部の下端部か
ら該軸線Ｐの周方向の両側の壁部に亘っている。また、
この膨出部５５の下流側の端部は、吸気ポート下流端１
０ａの点火プラグ２３に最も近い部位と略同じ高さに設
定されている。

【００４２】前記膨出部５５の形状について詳しく説明
すると、図７及び図９に示すように、クランク軸７の軸
線に沿って見て、断面三角形状とされていて、その吸気
ポート１０壁面には、該吸気ポート１０の上流側に位置
する傾斜面５６と下流側に位置する傾斜面（吸気ガイド
面）５７とが形成されている。これら上流側傾斜面５６
及び下流側傾斜面５７が交わる部分に形成される綾線５
８は若干、膨出部５５の下流側寄りに位置しており、こ
のため、上流側傾斜面５６は吸気ポート軸線Ｐ方向の寸
法が相対的に長く設定されている。また、シリンダヘッ
ド４下面に対して、上流側傾斜面５６は吸気ポート軸線
Ｐの傾斜角度よりも大きい傾斜角度を有する一方、下流
側傾斜面５７はその吸気ポート軸線Ｐよりも小さい傾斜
角度を有している。言い換えると、吸気ポート１０の断
面積は、膨出部５５の上流端から綾線５８まで徐々に拡
大する一方、該綾線５８から膨出部５５の下流端に向か
って徐々に縮小し、該膨出部５５の下流端に対応するポ
ート断面積は吸気ポート下流端１０ａの開口面積と略同
じとされている。

【００４３】また、前記吸気ポート１０の膨出部５５が
形成されている区間をその軸線Ｐに沿って見たときの断
面は、どの位置の断面においても、下端部がポート軸線
Ｐから最も離れており、そこからポート軸線Ｐの周方向
両側に向かって徐々にポート軸線Ｐに近づくような形状
とされている。すなわち、膨出部５５の下端部の膨出量
が最も大きく設定され、そこから軸線Ｐの周方向両側に
向かって徐々に膨出量が小さくされている。このこと
で、下流側傾斜面５７の下端部のシリンダヘッド４下面
に対する傾斜角度が最も小さいものとなる。また、図４
に示すように、両吸気ポート１０，１０の膨出部５５，
５５の膨出量は、インジェクタ１８に近接する部分ほど
小さく設定されいる。

【００４４】次に、本実施形態に係るエンジン１の成層
燃焼運転について説明する。まず、図６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、各吸気ポート１０内の吸気が開状態の吸気
弁１２の傘部と吸気ポート下流端１０ａとの間隙から燃
焼室６へ流入してタンブル流Ｔを形成する。

【００４５】詳しくは、前記吸気通路３０から吸気ポー
ト１０の上流側に流入した吸気は、図７に示すように、
吸気流動調節弁３４の切り欠き部分から吸気ポート１０
の下壁部に沿うように下流側へ流れる。そして、膨出部
５５に到達すると該膨出部５５の上流側傾斜面５６に沿
って流れ、綾線５８を越えると下流側傾斜面５７に沿っ
て流れて、燃焼室６へ流入する。この結果、吸気の流入
する向きは、シリンダヘッド４の下面に対してポート軸
線Ｐの傾斜角度よりも小さくなるので、燃焼室６の排気
側へ向かう流れとなる。この際、吸気は全体的に吸気ポ
ート１０の下壁部に沿うように偏って流通しているの
で、該下壁部に連続する膨出部５５の下流側傾斜面５７
によって流れ全体を確実に排気側へガイドすることがで
きる。

【００４６】前記のように下流側傾斜面５７によって曲
げられた吸気の流れは、図８に示すように、吸気ポート
１０の下流端１０ａにおいてインジェクタ１８側の部位
の流量よりも点火プラグ２３側の部位の流量の方が大幅
に多くなる。また、前記下流側傾斜面５７によって吸気
全体が排気側へ向けられているので、吸気の流れは吸気
ポート下流端１０ａのインジェクタ１８側を除いた殆ど
の部分から排気側を指向して流れ込むことになる。そし
て、このように排気側を指向して燃焼室６へ流れ込んだ
吸気の流れは、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
ストン冠面５ａに沿って吸気側へ曲げられ、そこからさ
らに吸気側の気筒２内周面に沿うように上方へ向かって
流れて、図６に示すように、燃焼室６全体に亘って縦方
向に旋回するタンブル流Ｔとなる。

【００４７】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。

【００４８】そして、図５に示すように、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に略正対するように衝突し、該
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２３近傍に移動し、図３に示すように、気筒２
の点火時期までに適切な濃度の可燃混合気となって点火
プラグ２３の電極周りに滞留する。そして、点火プラグ
２３に通電されることよって可燃混合気層に点火され
る。

【００４９】一方、前記エンジン回転速度が比較的高
く、均一燃焼状態にある場合には、図９に示すように、
吸気流動調節弁３４が全開とされ、吸気は吸気ポート１
０の軸線Ｐに沿うように略直線的に流れるようになる。
このとき、吸気の流速は相対的に高くなり、かつ吸気ポ
ート下流端１０ａに向かってその吸気ポート１０の全体
を直線的に流れているので、吸気が膨出部５５により吸
気ポート下流端１０ａの点火プラグ２３側へ向けられる
ことは殆ど無く、図１０に示すように、吸気ポート下流
端１０ａの全周から略均一に気筒２内に流入するように
なる。このことで、吸気効率を良好なものとして吸入空
気量を十分に確保することができる。

【００５０】具体的には、図１１に示すように、本実施
形態に係る直噴エンジン１と従来の直噴エンジンとにつ
いてエンジン回転速度とトルクとの関係を測定した結果
を表すグラフによると、本実施形態に係る直噴エンジン
１では、エンジン回転速度が約２０００ｒｐｍまでは従
来の直噴エンジンと略同じトルクを発生し、約３０００
ｒｐｍよりも高回転領域におけるトルクを見ると本実施
形態のものの方が約１０％ほど高いことが判る。

【００５１】したがって、この実施形態に係る火花点火
式直噴エンジンの吸気装置によると、シリンダヘッド４
の吸気側の側面から気筒２の燃焼室６へ向かって斜め下
方に延びるように吸気ポート１０，１０を形成し、ここ
からの吸気によって燃焼室６にタンブル流を生成すると
ともに、該燃焼室６の吸気ポート１０側に配設したイン
ジェクタ１８によりタンブル流Ｔに対向するように燃料
を噴射させて点火プラグ２３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において、前
記吸気ポート１０，１０を略直線的に延びるように形成
し、該吸気ポート１０，１０の下流端側に下壁部を下方
へ膨出させてなる膨出部５５，５５を形成し、該膨出部
５５，５５にポート軸線Ｐよりも傾斜角度の小さい下流
側傾斜面５７，５７を形成したので、吸気抵抗を低減し
て高出力を得ながら、所要の強さのタンブル流Ｔをエン
ジン低速側の広い範囲に亘って安定して生成できるよう
になり、これにより良好な成層燃焼運転を広い範囲に亘
って実現できる。

【００５２】また、前記膨出部５５の下流側の端部が吸
気ポート下流端１０ａよりも吸気ポート１０の上流へ所
定距離離れており、しかも、膨出部５５のインジェクタ
１８側の膨出量が相対的に小さくされているので、イン
ジェクタ１８の配設スペースを十分に確保することがで
きる。すなわち、膨出部５５の下端部の膨出量を大きく
設定することにより下流側傾斜面５７の下端部の傾斜角
度を十分に小さくして吸気を排気側へ確実にガイドする
ようにしながら、インジェクタ１８の配設自由度を高く
することができる。

【００５３】また、膨出部５５を吸気側のバルブガイド
部１４の吸気ポート１０内への突出部分に対応させて形
成しているので、このバルブガイド部１４による吸気ポ
ート１０の断面積の縮小を膨出部５５により補完でき、
吸気をスムーズに流通させることができる。

【００５４】また、膨出部５５の下流側傾斜面５７の下
流側端部を吸気ポート下流端１０ａの点火プラグ２３側
と略同じ高さとしているので、この下流側傾斜面５７に
よって排気側へ向けられた吸気は吸気ポート１０の上壁
部に殆ど衝突することなく直接的に気筒２内へ流入する
ようになり、このことによっても、吸気抵抗を低減しつ
つ、所期のタンブル流Ｔを安定して生成できる。尚、前
記下流側傾斜面５７の下流端の高さを吸気ポート下流端
１０ａの点火プラグ２３に最も近い部位よりも低くして
もよく、こうすることで、よりスムーズに吸気を流通さ
せることができる。

【００５５】尚、この実施形態では、吸気流動調節弁３
４を設けて成層燃焼運転時に全閉状態にしているが、こ
の吸気流動調節弁３４を省略してもよい。すなわち、成
層燃焼領域における吸気流速は相対的に低いため、流速
の高いときに比べて吸気ポート１０の下流側傾斜面５７
による影響が強くなり、このことで、所要の強さのタン
ブル流Ｔを形成することができる。

【００５６】

【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の吸気装置によると、気筒
内燃焼室の天井部略中央に点火プラグを配設し、該燃焼
室の吸気ポート側に燃料噴射弁を配設し、シリンダヘッ
ドの吸気側の側面から斜め下方に延びるように吸気ポー
トを形成して、成層燃焼運転時には前記吸気ポートから
流入する吸気流によってタンブル流を生成させるととも
に、このタンブル流に対向するように前記燃焼噴射弁に
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
において、吸気ポートを略直線的に延びるように形成し
たので、該吸気ポートの軸線に沿って吸気がスムーズに
流れ、かつ該吸気ポートの下流端全周から燃焼室へ導入
される。そして、その吸気ポートの下流端側にはその下
壁部を下方へ膨出させてなる膨出部を形成し、該膨出部
のポート壁面に、シリンダヘッドの下面に対して吸気ポ
ート上流側のポート軸線の傾斜角度よりも小さい傾斜角
度を有する吸気ガイド面を形成したので、吸気を排気側
の気筒内周面に沿わせるように気筒内へ流入させて所要
の強さのタンブル流を生成できる。これらのことによ
り、効率良く吸気を吸入させて高出力を得ることを可能
としながら、良好な成層燃焼運転をエンジン回転速度の
広い範囲に亘って実現できる。

【００５７】請求項２記載の発明によると、燃焼室をペ
ントルーフ型燃焼室とし、吸気ガイド面の下流側の端部
を吸気ポートの下流端における点火プラグに最も近い部
位と比較して略同じ高さないし下方に位置付けたので、
吸気ガイド面により排気側へ向けられた流れを吸気ポー
トの下流端から直接的に気筒内へ流入させることがで
き、このことで、吸気抵抗をさらに低減できる請求項３
記載の発明によると、吸気ポートの下流端から上流へ所
定距離離れた部位までの間に膨出部が形成されないの
で、この吸気ポートの下流端に近接して燃料噴射弁を配
設する場合の配設スペースを確保できる。

【００５８】請求項４記載の発明によると、膨出部を吸
気ポート内へ突出するバルブガイド部に対向するように
形成したので、バルブガイド部による吸気ポートの断面
積の縮小を補完して、スムーズに吸気を流通させること
ができる。

【００５９】請求項５記載の発明によると、燃料噴射弁
を２つの吸気ポートの膨出部の下方にそれらに近接して
配設し、膨出部の膨出量を燃料噴射弁に近接する部分ほ
ど小さくしたので、吸気ガイド面によって吸気を排気側
へ指向させながら、燃料噴射弁のレイアウト自由度を確
保できる。

【００６０】請求項６記載の発明によると、吸気ポート
の膨出部よりも上流に閉状態のときに吸気ポートの下側
から吸気を流通させる吸気流動調節弁を設けたので、吸
気ガイド面による吸気を排気側へ指向させる作用を高め
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】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】気筒の点火時点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図である。

【図４】燃焼室及び吸気ポートの構成を示し、シリンダ
ヘッドを下方から見た平面図である。

【図５】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】クランク軸線に沿って見て、吸気流動調節弁が
全閉状態のときに吸気ポート内を流れる吸気の様子を示
す図である。

【図８】気筒中心線に沿って見て、吸気流動調節弁が全
閉状態のときに吸気ポート下流端近傍を流れる吸気の様
子を示す図である。

【図９】吸気流動調節弁が全開状態のときの図７相当図
である。

【図１０】吸気流動調節弁が全閉状態のときの図８相当
図である。

【図１１】本実施形態に係る直噴エンジンと従来の直噴
エンジンとについて、エンジン回転速度とトルクとの関
係を示す図である。

【符号の説明】

２ 気筒 ４ シリンダヘッド ５ ピストン ６ 燃焼室 １０ 吸気ポート １４ バルブガイド部 １８ インジェクタ（燃料噴射弁） ２０ 天井部 ２３ 点火プラグ ３４ 吸気流動調節弁（吸気絞り弁） ５５ 膨出部 ５７ 下流側傾斜面（吸気ガイド面） Ｐ 吸気ポート軸線 Ｔ タンブル流

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 乃生 芳尚 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 藤本 英史 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 藤岡 義幸 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 AA00 AA01 AA07 AA17 AC05 AD02 AD05 AD06 AG01 3G024 AA09 BA00 DA01 DA06 DA18 FA00

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エンジンの気筒内燃焼室の天井部略中央
   に点火プラグを配設し、該燃焼室の吸気ポート側の周縁
   部に燃料噴射弁を配設し、シリンダヘッドの吸気側の側
   面から斜め下方に延びて前記燃焼室の天井部に開口する
   ように吸気ポートを形成して、成層燃焼運転時には前記
   吸気ポートから流入する吸気流によって前記燃焼室にタ
   ンブル流を生成させるとともに、このタンブル流に対向
   するように前記燃焼噴射弁により燃料を噴射させて、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吸気装
   置において、 前記吸気ポートは略直線的に延びるように形成され、該
   吸気ポートの下流端側にはその下壁部を下方へ膨出させ
   てなる膨出部が形成され、 前記膨出部のポート壁面には、シリンダヘッドの下面に
   対して吸気ポート上流側のポート軸線の傾斜角度よりも
   小さい傾斜角度を有する吸気ガイド面が形成されている
   ことを特徴とする火花点火式直噴エンジンの吸気装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記燃焼室はペントルーフ型燃焼室とされ、 前記吸気ガイド面の下流側の端部は、吸気ポートの下流
   端における点火プラグに最も近い部位と比較して略同じ
   高さないしそれよりも下方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吸気装置。
3. 【請求項３】 請求項２において、 前記吸気ガイド面の下流側の端部は、吸気ポートの下流
   端部よりも所定距離だけ上流に離れたポート壁面に形成
   されていることを特徴とする火花点火式直噴エンジンの
   吸気装置。
4. 【請求項４】 請求項１において、 前記吸気ポートの膨出部は、該吸気ポート内へポート壁
   面から突出するバルブガイド部に対応するように形成さ
   れていることを特徴とする火花点火式直噴エンジンの吸
   気装置。
5. 【請求項５】 請求項１において、 前記吸気ポートは気筒毎に２つずつ設けられ、 前記燃料噴射弁は、気筒中心線に沿って見て両吸気ポー
   トの中間に位置しかつ該両吸気ポートの膨出部の下方に
   それらに近接して配設され、 前記膨出部の膨出量が燃料噴射弁に近接する部分ほど小
   さく設定されていることを特徴とする火花点火式直噴エ
   ンジンの吸気装置。
6. 【請求項６】 請求項１において、 前記吸気ポートの膨出部よりも上流には、吸気の絞り量
   を調節する吸気絞り弁が配設され、 前記吸気絞り弁は、閉状態のときに吸気ポートの下壁部
   側から吸気を流通させるように構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吸気装置。