JP2005098119A - 火花点火式直噴エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】成層燃焼時の燃料噴霧間の相互干渉効果による着火性を維持しつつ、均一燃焼時の混合気の均一化を向上することを目的とする。
【解決手段】燃料噴射弁１８から噴射される燃料噴射方向が点火プラグ１６の電極近傍に指向されたものであって、燃料噴射時期を成層燃焼時は圧縮行程に設定するとともに、均質燃焼時は吸気行程に設定する燃料噴射時期制御手段を備え、燃料噴射弁１８には、少なくとも当該燃料噴射弁側から燃料噴射方向先端側を見て、軸心が点火プラグ１６の電極の下面に近接する空間に指向する電極下方側噴口と、軸心が電極下方側噴口の下方の空間に指向するピストン側噴口とが備えられ、両噴口の配置が、上記両噴口の軸心間の開き角と、上記両噴口から噴射される燃料の噴霧角との関係において、成層燃焼時、上記両噴口の軸心間の開き角が上記噴霧角よりも大きくなるよう構成してある。
【選択図】 図２

Description

本発明は、火花点火式直噴エンジンに関し、特に、複数の噴口を有する燃料噴射弁を備えた火花点火式直噴エンジンに関する。

従来、点火プラグを備えるとともに、燃料を燃焼室内に直接供給するインジェクタを備え、成層燃焼を行うことによって燃費改善を図るようにした火花点火式直噴エンジンが知られている。
この種のエンジンでは、燃料の拡散を抑えつつも気化、霧化を促進し、かつ点火プラグの電極近傍に着火可能な適度の空燃比の混合気が偏在する状態を確保することが要求される。
このような技術としては、例えば、下記特許文献１に開示されるように、燃料を直接点火プラグの電極に噴射するとともに、噴霧の下方又は側方近傍に気流を生成して、噴霧の広がりを抑える技術が知られている。
特開２００１−２４８４４３号公報

ところが、上記特許文献１では、直接電極に向けて燃料を噴射するため、電極に燃料が液滴となって付着し易く、着火性が悪化するという問題がある。

ところで、インジェクタには、下記特許文献２に開示されるように、複数の噴口を有するインジェクタ（以下、マルチホール型インジェクタと称す）が知られている。
特開２００２−１３００８２号公報

そこで、本発明者等によれば、このマルチホール型インジェクタを利用することによって、点火プラグの電極に対する燃料の付着を抑制しつつ、電極近傍に着火可能な適度の空燃比の混合気を集めることが可能になることを見出した。
つまり、直接電極に燃料を噴射するのではなく、電極を挟んでその周辺に燃料が偏在するように、複数の噴口を位置させることによって、燃料を複数の噴口から噴射されることによってその燃料の微粒化が図られ、しかも、各噴口から噴射された噴霧の分布中心が点火プラグの電極を避けた位置にあるため、燃料が液滴化して電極へ付着する量を減少することができるものである。

更に、本発明者等は鋭意研究の結果、このようにマルチホール型インジェクタを使用した場合、各噴口から噴射される噴霧角の関係を工夫することによって、各噴口から噴射される燃料噴霧同士の相互干渉効果が得られることを見出した。
この相互干渉効果について詳述すると、まず、この相互干渉効果は、各噴口の軸心間の開き角と噴霧角との設定によって各燃料噴霧が近接した場合に生じることが判明した。
つまり、各噴口から噴射された燃料噴霧が近接すると、各燃料噴霧間の空間における空気ボリュームが少なくなり、燃料噴霧周辺の空気が燃料噴霧内に巻き込まれる度合が減少し、各燃料噴霧速度が高くなる。
その結果、各燃料噴霧間の空間の圧力が低下し、各燃料噴霧が互いに引き寄せられ、更に、燃料噴霧速度が高まるため、各燃料噴霧間の中心側の混合気は微粒化された濃い混合気となり、周辺側の混合気は微粒化された薄い混合気となる。
従って、微粒化した濃い混合気を電極付近に集めることができ、着火性を向上することができるものである。
以上のように、単に、マルチホール型インジェクタを使用するだけではなく、各噴口の軸心間の開き角、噴霧角との関係を相互干渉効果が生じるように設定することによって、更に着火性を向上することができるものである。

ところで、火花点火式式直噴エンジンにおいては、上述した成層燃焼に加え、均一燃焼を行うよう構成されており、この均一燃焼時においては、成層燃焼時のように点火プラグの電極近傍に混合気を集めるのではなく燃焼室内全体に混合気を分散し、混合気の均一化を図る必要がある。
そこで、マルチホール型インジェクタを使用する場合、点火プラグの電極近傍に指向するプラグ側噴口に加え、プラグ側噴口下方側のピストン上面側へ指向するピスント側噴口を追加し、均一燃焼時における混合気の均質化を図ることが考えられる。
しかしながら、単に、ピストン側噴口を追加設定すると、ピストン側噴口とプラグ側噴口との間において、上述した相互干渉効果が生じ、成層燃焼時に混合気を点火プラグの電極近傍に集めることができないという問題がある。
つまり、プラグ側噴口から噴射される燃料噴霧が、相互干渉効果によってピストン側噴口から噴射される燃料噴霧側に引き寄せられ、点火プラグの電極から離れてしまうため、成層燃焼時に混合気を点火プラグの電極近傍に集めることができないものである。

本発明は、以上のような課題に勘案してなされたもので、その目的は、成層燃焼時の燃料噴霧間の相互干渉効果による着火性を維持しつつ、均一燃焼時の混合気の均一化を向上可能な火花点火式直噴エンジンを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明にあってはその解決手法として次のようにしてある。すなわち、本発明の第１の構成において、燃焼室内に配設される点火プラグと、先端部が上記燃焼室内の周縁に臨むように配設される燃料噴射弁とを備え、該燃料噴射弁から噴射される燃料噴射方向が上記点火プラグの電極近傍に指向された火花点火式直噴エンジンにおいて、
上記燃料噴射弁から噴射される燃料の燃料噴射時期を、成層燃焼時は圧縮行程に設定するとともに、均一燃焼時は吸気行程に設定する燃料噴射時期制御手段と、
上記燃料噴射弁に供給される燃料の圧力を、成層燃焼時は成層燃焼用燃圧に設定する燃圧制御手段とを備えるとともに、
上記燃料噴射弁には、少なくとも当該燃料噴射弁側から燃料噴射方向先端側を見て、軸心が上記点火プラグの電極の下面に近接する空間に指向する電極下方側噴口と、軸心が上記電極下方側噴口の下方の空間に指向するピストン側噴口とが備えられ、
該両噴口の配置が、上記両噴口の軸心間の開き角と、上記両噴口から噴射される燃料の噴霧角との関係において、成層燃焼時、上記両噴口の軸心間の開き角が上記噴霧角よりも大きくなるよう構成してある。
本発明の第１の構成によれば、成層燃焼時、両噴口の軸心間の開き角が、その両噴口から噴射される燃料の噴霧角よりも大きくされるため、両噴口から噴射された噴霧角の間の空間における空気ボリュームが拡大し、上述した各燃料噴霧の相互干渉を抑制できるため、電極下方側噴口から噴射される燃料噴霧がピストン側噴口側に引き寄せられる現象を抑制でき、点火プラグの電極近傍付近に混合気を集めることができる。

本発明の第２の構成において、上記火花点火式直噴エンジンには二つの吸気バルブが備えられるとともに、上記燃料噴射弁の先端部は、上記二つの吸気バルブの間に配設されており、
上記両噴口は、上記燃料噴射弁の軸心を中心に燃料噴射方向先端側を見て、上記両吸気バルブの可動範囲外の空間に配置されるよう構成してある。
本発明の第２の構成によれば、両噴口から噴射された燃料噴霧の吸気弁への衝突を極力抑制することができる。

本発明の第３の構成において、上記両噴口の軸心間の開き角が、２５°以上に設定されるよう構成してある。
本発明者等の鋭意研究の結果、各噴口の軸心間の開き角が大き過ぎると、各燃料噴霧が離れ過ぎ、燃料噴霧間の相互干渉効果を得ることができないことを確認した。
そして、この相互干渉効果が得られなくなる開き角が、２５°以上であることを、解析、実験で確認した。
本発明の第３の構成によれば、上記両噴口の軸心間の開き角が２５°以上に設定されるため、両噴口間における燃料噴霧の相互干渉効果を確実に抑制することができ、電極下方側噴口から噴射される燃料噴霧がピストン側噴口側に引き寄せられる現象を抑制でき、点火プラグの電極近傍付近に混合気を集めることができる。

本発明の第４の構成において、燃焼室内に配設される点火プラグと、先端部が二つの吸気バルブの間における上記燃焼室内の周縁に臨むように配設される燃料噴射弁とを備え、該燃料噴射弁から噴射される燃料噴射方向が上記点火プラグの電極近傍に指向された火花点火式直噴エンジンにおいて、
上記燃料噴射弁には、少なくとも当該燃料噴射弁側から燃料噴射方向先端側を見て、軸心が上記点火プラグの電極の下面に近接する空間に指向する電極下方側噴口と、軸心が上記第１噴口の下方の空間に指向する複数のピストン側噴口とが備えられ、
該両噴口は、燃料噴射弁の軸心を中心に燃料噴射方向先端側を見て、上記両吸気バルブの可動範囲外の空間に配置されるとともに、
上記電極下方側噴口と当該電極下方側噴口と隣接するピストン側噴口との軸心間の開き角が、隣り合う上記各ピストン側噴口軸心間の開き角よりも大きく設定されるよう構成してある。
ここで、均一化を向上するためには、ピストン側噴口数を多くすることが望ましい。
その場合、電極下方側噴口と、全ピストン側噴口の全てを当該噴口から噴射された燃料噴霧が吸気バルブに衝突しないよう、吸気バルブの可動範囲外に配置することが望ましい。
ところが、噴口全てを吸気バルブの可動範囲外に配置しようとすると、噴口が密集するため、電極下方側噴口とピストン側方側噴口との間において上述した相干渉効果が生じるおそれがある一方、ピストン側噴口間においては相互干渉効果が生じたとしてもその影響はない。
本発明の第４の構成によれば、成層燃焼時、燃料噴射弁の電極下方側噴口とピストン側噴口との軸心間の開き角が、隣り合う各ピストン側噴口軸心間の開き角よりも大きく設定されるため、両噴口から噴射された噴霧角の間の空間における空気ボリュームが拡大し、上述した各燃料噴霧の相互干渉を抑制でき、電極下方側噴口から噴射される燃料噴霧がピストン側噴口側に引き寄せられる現象を抑制できるため、点火プラグの電極近傍に混合気を集めることができる。
また、均一燃焼時は、電極下方側噴口及び複数のピストン側噴口から燃料が噴射されるため、燃焼室内に混合気を分散させることができ、燃焼室内における混合気の均一化を図ることができる。

本発明の第５の構成において、燃焼室内に配設される点火プラグと、先端部が二つの吸気バルブの間における上記燃焼室内の周縁に臨むように配設される燃料噴射弁とを備え、該燃料噴射弁から噴射される燃料噴射方向が上記点火プラグの電極近傍に指向された火花点火式直噴エンジンにおいて、
上記燃料噴射弁には、少なくとも当該燃料噴射弁側から燃料噴射方向先端側を見て、軸心が上記点火プラグの電極の下面に近接する空間に指向する電極下方側噴口と、軸心が上記第１噴口の下方の空間に指向するピストン側噴口と、軸心が上記点火プラグの電極の側方に近接する空間に指向する電極側方側噴口とが備えられるとともに、
上記電極下方側噴口とピストン側噴口との軸心間の開き角が、上記電極下方側噴口と電極側方側噴口との軸心間の開き角よりも大きく設定されるよう構成してある。
ここで、成層燃焼時は、点火プラグの電極近傍に混合気を集めて着火性を向上させめため、点火プラグの電極下方の空間に指向する電極下方側噴口に加え、電極側方の空間に指向する電極側方側噴口を追加することが望ましい。
そして、上述のように成層燃焼時は、燃料噴霧間の相互干渉効果を積極的に利用して着火性を向上することが望ましいことから、電極下方側噴口と電極側方側噴口との関係においては相互干渉効果が得られる配置に設定する必要がある一方、電極下方側噴口とピストン側噴口との関係においては相互干渉効果が生じないように設定することが望ましい。
本発明の第５の構成によれば、成層燃焼時、燃料噴射弁の電極下方側噴口とピストン側噴口との軸心間の開き角が、上記電極下方側噴口と電極側方側噴口との軸心間の開き角よりも大きくされるため、両噴口から噴射された噴霧角の間の空間における空気ボリュームが拡大し、上述した各燃料噴霧の相互干渉を抑制でき、電極下方側噴口から噴射される燃料噴霧がピストン側噴口側に引き寄せられる現象を抑制できるため、点火プラグの電極近傍に混合気を集めることができる。
また、電極下方側噴口と電極側方側噴口との軸心間の開き角は小さくされるため、電極下方側噴口と電極側方側噴口との間において相互干渉効果が生じ、点火プラグの電極近傍に混合気を集めることができ、着火性を向上することができる。
また、均一燃焼時は、電極下方側噴口、電極側方側噴口及び複数のピストン側噴口から燃料が噴射されるため、燃焼室内に混合気を分散させることができ、燃焼室内における混合気の均一化を図ることができる。

本発明の第６の構成において、上記燃料噴射弁から噴射される燃料の燃料噴射時期を、成層燃焼時は圧縮行程に設定する燃料噴射時期制御手段と、
上記燃料噴射弁に供給される燃料の圧力を、成層燃焼時は成層燃焼用燃圧に設定する燃圧制御手段とを備え、
上記電極下方側噴口とピストン側噴口との配置が、上記両噴口の軸心間の開き角と、上記両噴口から噴射される燃料の噴霧角との関係において、上記成層燃焼時、上記開き角が上記噴霧角以下となるよう設定されるよう構成してある。
本発明の第６の構成によれば、成層燃焼時、上記開き角が上記噴霧角以下となるよう設定されるため、両噴口から噴射された噴霧角の間の空間における空気ボリュームを減少させることができ、上述した各燃料噴霧の相互干渉効果が得られ、成層燃焼時における着火性を向上することができる。

本発明によれば、成層燃焼時の燃料噴霧間の相互干渉効果による着火性を維持しつつ、均一燃焼時の混合気の均一化を向上することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

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の全体構成図を示す。
このエンジン１は、複数の気筒、例えば、４つの気筒２、２、２、２（図１では１つのみ開示）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とを有しており、各気筒２内にはピストン５が上下方向に往復動可能に嵌挿されている。この各ピストン５とシリンダヘッド４との間の気筒２内には燃焼室６がそれぞれ区画それており、その燃焼室６は、図２に拡大して示すように、気筒２の天井部における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つの傾斜面を形成することにより、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燃焼室とされている。一方、ピストン５よりも下方のシリンダブロック３内にはクランク軸７が回転自在に支持されており、このクランク軸７とピストン５とはコネクティングロッド８を介して連結されている。

シリンダヘッド４には、図１、図２に示すように、吸気ポート１０及び排気ポート１１がそれぞれ２つずつ（図１、図２では、いずれも１つのみ開示）形成されている。この２つの吸気ポート１０、１０は、その各一端が各気筒２天井部における傾斜面の一方から燃焼室６に開口され、その各他端側が燃焼室６から斜め上方に延びて、エンジン１の一側面（図１、図２中右側面）に互いに独立して開口されており、その各吸気ポート１０、１０の一端開口には、それぞれ所定のタイミングで開閉作動される吸気弁１２、１２が配置されている。（図１、図２では、いずれも１つのみ開示）２つの排気ポート１１、１１には、その各一端が各気筒２の天井部における傾斜面の他方から燃焼室６に開口され、その各他端側は、途中で１つに合流した後略水平に延びてエンジン１の他端面（図１、図２中左側面）に開口されており、その各排気ポート１１、１１の一端開口には、それぞれ所定のタイミングで開閉作動される排気弁１３、１３が配置されている。（図１、図２では、いずれも１つのみ開示）

エンジン１の一側面には、図１に示すように、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に対してエアクリーナ（不図示）で濾過された吸気を供給するためのものであり、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ためのホットワイヤ式エアフローセンサ３１と、吸気通路２６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。電気式スロットル弁３２は、アクセルペダル（不図示）に対し機械的に連結されておらず、図示しない電気式駆動モータにより駆動されて開閉されるようになっている。

また、サージタンク３３よりも下流側の吸気通路３０は、各気筒２毎に分岐する独立通路とされていて、そ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に連通されている。

また、燃焼室６の上部には、４つの吸排気弁１２、１２、１３、１３に囲まれた燃焼室６の略中心に、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の天井部から所定距離だけ突出した位置にあり、その点火プラグ１６の基端部には点火回路１７が接続されており、各気筒２毎に所定の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。

また、燃焼室６の周縁部には、２つの吸気ポート１０、１０間で、その各吸気ポート１０、１０下方に燃料噴射弁１８が配設されている。この燃料噴射弁１８は、複数の噴口、具体的には八つの噴口を備えたマルチホール型の燃料噴射弁であって、各噴口は、当該各噴口から噴射される燃料噴霧が後述するよう点火プラグ１６の電極近傍及びピストン５上方側に指向するよう、その燃料噴射弁１８の燃料噴射方向が設定されている。

燃料噴射弁１８の基端部には、全気筒２、２、２、２に共通の燃料分配管１９が接続されており、その燃料分配管１９は、燃料供給系２０から供給される高圧の燃料を各気筒２に分配供給するようになっている。この燃料供給系２０は、例えば、図３に示すように構成され、燃料分配管１９と燃料タンク２１とを連通する燃料通路２２の上流側から下流側に向かって、低圧燃料ポンプ２３、低圧レギュレータ２４、燃料フィルタ２５、高圧燃料ポンプ２６及び燃圧を調節可能とされる高圧レギュレータ２７が順に配設されており、高圧燃料ポンプ２６及び高圧レギュレータ２７は、リターン通路２９により燃料タンク２１側に接続されている。尚、符合２８は、燃料タンク２１側に戻す燃料の圧力状態を整える低圧レギュレータである。
また、高圧燃料ポンプ２６は、カム軸（不図示）の端部側に配設され、カム軸の回転に応じて駆動されるよう構成されている。

これにより、低圧燃料ポンプ２３により燃料タンク２１から吸い上げられた燃料は、低圧レギュレータ２４により調圧された後、燃料フィルタ２５を介して高圧燃料ポンプ２６に圧送される。そして、高圧燃料ポンプ２６によって昇圧した燃料の一部を高圧レギュレータ２７により流量調節しながらリターン通路２９によって燃料タンク２１側に戻すことで、燃料分配管１９へ供給する燃料の圧力状態を適正値、例えば、１２ＭＰａ〜２０ＭＰａに調整する。

一方、エンジンの他側面には、図１に示すように、燃焼室６から既燃ガス（排気ガス）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ールド３７であり、この排気マニホールド３７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３８が配設されている。このリニアＯ２センサ３８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範囲において酸素濃度に対してリニアな出力が得られるようになっている。

また、排気マニホールド３７の集合部には、排気管３９の上流端が接続されており、その排気管３９には、上流側から下流側に向けて順に、三元触媒５４、ＮＯｘ吸収剤４０が接続されている。そのＮＯｘ吸収剤４０は、排気中の酸素濃度の高い雰囲気でＮＯｘを吸収する一方、酸素濃度の低下に伴い吸収したＮＯｘを放出し、その放出ＮＯｘを排気中のＨＣ、ＣＯ等により還元浄化するＮＯｘ吸収還元タイプのものとされている。

図１中、５０は、エンジンコントロールユニットであって、点火回路１７、燃料噴射弁１８、燃料供給系２０の高圧レギュレータ２７、電気式スロットル弁３２、吸気流動制御弁（不図示）、ＥＧＲ弁（不図示）等は、このエンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵという）５０によって制御される。このため、ＥＣＵ５０には、少なくとも、クランク軸７の回転角度（エンジン回転数）を検出するクランク角センサ９、エアフローセンサ３１、リニアＯ２センサ３８等からの各出力信号が入力され、加えて、アクセルペダルの開度（アクセル操作量）を検出するアクセル開度センサ５１からの出力信号が入力されるようになっている。

ＥＣＵ５０は、各センサから入力される信号に基づいて、燃料噴射弁１８による燃料噴射時期、高圧レギュレータ２７による燃圧制御、及び燃料噴射弁１８、点火回路１７、高圧レギュレータ２７による燃焼状態制御を行うよう構成されている。
（燃料噴射制御）
燃料噴射制御は、エンジン温度に応じて燃料噴射制御マップが切換えられ、その切換えられたマップに従ってその制御が行われる。
燃料噴射制御マップは、エンジン温度が所定値（例えば、８０度）以上の温間時は図４（ａ）に示す温間時のマップに、エンジン温度が所定値よりも低い冷間時は図４（ｂ）に示す冷間時のマップに切換えられる。
温間時のマップは、図４（ａ）ように、エンジンの運転状態が低負荷低回転領域にある時、成層燃焼領域とされ、その領域では、燃料噴射弁１８による燃料噴射時期を圧縮行程の所定時期、例えば、一括噴射の場合、圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）０°〜６０°の範囲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が行われる。この成層燃焼領域では、混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーン側になるように、燃料噴射量やスロットル開度が制御される。また、成層燃焼領域以外の領域は、均一燃焼領域とされており、燃料噴射弁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内に均一な混合気を形成した上で燃焼させる均一燃焼が行われる。この均一燃焼領域では、大部分の運転領域で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が制御されるが、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空燃比（Ａ／Ｆ＝１３程度）に制御して、高負荷に対応した大出力が得られるようになっている。
また、冷間時のマップは、図４（ｂ）に示すように、全運転領域において均一燃焼が行われる。

（燃圧制御）
燃圧制御は、エンジン温度に応じて燃圧制御マップが切換えられ、その切換えられたマップに従ってその制御が行われる。
燃圧制御マップは、エンジン温度が所定値（例えば、８０度）以上の温間時は図５（ａ）に示す温間時のマップに、エンジン温度が所定値よりも低い冷間時は図５（ｂ）に示す冷間時のマップに切換えられる。
温間時のマップは、図５（ａ）に示すように、成層燃焼領域では、エンジン回転数の上昇につれて燃圧が１２ＭＰａから２０ＭＰａの間で変更される一方、少なくとも高回転側の均一燃焼領域では、一律２０ＭＰａに設定される。
また、冷間時のマップは、図５（ｂ）に示すように、均一燃焼が行われる全運転領域において一律２０ＭＰａに設定される。
ただし、上述したとおり、高圧燃料ポンプ２６はカム軸の回転に応じて駆動されるようになっており、始動時はカム軸の回転が低くく燃圧が十分に上がらないことから、始動時の燃圧は、例えば、０．５ＭＰａ程度になっている。

次に、本発明のポイントとなるマルチホール型の燃料噴射弁１８の八つの噴口について、図２、図６、図７に基づき説明する。
図６は、マルチホール型の燃料噴射弁１８の軸心を中心に燃料噴射方向先端側を見た時の軸心に対する各噴口の軸心との三次元傾斜角を模式的に示した図、図７は、マルチホール型の燃料噴射弁１８の各噴口から燃料が噴射されている状態を示す斜視図である。

図６において、Ｌはマルチホール型の燃料噴射弁１８の軸心、Ｖは吸気弁１２の最大リフト位置（例えば、最大リフト量が９ｍｍの場合の位置を示す）、Ｐ１はピストン上死点位置、Ｐ２はピストン下死点位置、Ｌ１乃至Ｌ８は第１噴口乃至第８噴口の各軸心（噴口は図示省略）、Ａ１乃至Ａ８は第１噴口乃至第８噴口から噴射された燃料の噴霧角、Ｅは点火プラグの電極を示している。
全噴口の噴口径は同一径とされており、例えば、０．１５ｍｍに設定されている。
尚、Ｌ１が請求項における電極下方側噴口の軸心、Ｌ２、Ｌ３が請求項における電極側方側噴口の軸心、Ｌ５が請求項におけるピストン側噴口の軸心に該当する。
そして、各噴口の軸心Ｌ１乃至Ｌ８は、軸心Ｌ、吸気弁の最大リフト位置Ｖ、ピストン上死点位置Ｐ１、ピストン下死点位置Ｐ２、点火プラグの電極Ｅに対して次のような傾斜角関係とされている。
まず、第１噴口の軸心Ｌ１は、軸心Ｌから点火プラグの電極Ｅ下方の所定位置に指向するよう配置されている。尚、第１噴口の軸心Ｌ１、噴霧角Ａ１は、二つの吸気弁１２の最大リフト位置Ｖ、Ｖの間に位置、つまり、吸気弁の可動範囲外に位置されている。
また、第２噴口の軸心Ｌ２は、軸心Ｌから点火プラグの電極Ｅ側方（図中左側）の所定位置に指向するよう配置されている。
また、第３噴口の軸心Ｌ３は、軸心Ｌから点火プラグの電極Ｅ側方（図中右側）の所定位置に指向するよう配置されている。
尚、第２噴口の軸心Ｌ２、噴霧角Ａ２、第３噴口の軸心Ｌ３、噴霧角Ａ３は、ともに吸気弁１２の最大リフト位置Ｖ、Ｖの可動範囲内に位置されている。
また、第４噴口の軸心Ｌ４は、軸心Ｌからピストン側（図中下方側）でピストン下死点位置Ｐ２よりも上方側の所定位置（図中左側）に指向するよう配置されている。
第５噴口の軸心Ｌ５は、軸心Ｌからピストン側（図中下方側）で、ピストン下死点位置Ｐ２よりも上方側の所定位置（図中センター位置）に指向するよう配置されている。
第６噴口の軸心Ｌ６は、軸心Ｌからピストン側（図中下方側）でピストン下死点位置Ｐ２よりも上方側の所定位置（図中右側）に指向するよう配置されている。
第７噴口の軸心Ｌ７は、軸心Ｌからピストン側（図中下方側）でピストン下死点位置Ｐ２よりも下方側の所定位置（図中左側）に指向するよう配置されている。
第８噴口の軸心Ｌ８は、軸心Ｌからピストン側（図中下方側）でピストン下死点位置Ｐ２よりも下方側の所定位置（図中右側）に指向するよう配置されている。
尚、第３噴口乃至第８噴口の軸心Ｌ３乃至Ｌ８、噴霧角Ａ３乃至Ａ８は、それぞれ吸気弁１２の最大リフト位置Ｖ、Ｖの可動範囲外に位置されている。
また、各噴口から噴射された全体の燃料噴霧は、軸心Ｌを中心とする７０°以下の円錐空間内に収まるように設定されている。
そして、以上のように各噴口、噴霧角が設定された燃料噴射弁１８から噴射された燃料の噴霧は、例えば、図７に示すような状態となる。

以上説明したように、点火プラグの電極Ｅの下方及び両側方に、第１乃至第３噴口の軸心Ｌ１乃至Ｌ３が配置されているため、成層燃焼時、点火プラグの電極Ｅ近傍に微粒化された混合気を集めることができ、着火性を向上することができる。
また、軸心Ｌよりもピストン側に第４乃至第８噴口の軸心Ｌ４乃至Ｌ８が配置されているため、燃焼室６全体に混合気を存在させることができ、均一燃焼時における混合気の均質化を向上することができる。
また、第１、第４乃至第８噴口の各軸心Ｌ１、Ｌ４乃至Ｌ８は、吸気弁１２の可動範囲外に配置されるため、多噴口としながらも大半の噴口を吸気弁１２の可動範囲外に配置でき、各噴口から噴射される燃料噴霧が吸気弁１２に衝突することを抑制することができる。

ここで、点火プラグの電極Ｅ近傍に配置される第１噴口Ｌ１乃至第３噴口Ｌ３との関係については、つぎのような要求がある。
つまり、成層燃焼が行われる温間時は、微粒化された混合気を点火プラグの電極Ｅ近傍に集めるため、燃料噴霧間に相互干渉効果を生じさせる必要がある一方、冷間始動時は、この相互干渉効果が生じると、逆に点火プラグの電極へ濃い混合気が付着して始動性が悪化するため、相互干渉効果が生じさせないようにしたいという要求がある。
そこで、点火プラグの電極Ｅ周辺にその軸心が指向する第１乃至第３噴口の軸心Ｌ１乃至Ｌ３は、その各噴口から噴射される燃料の噴霧角αと、各噴口の開き角θとが以下に示す関係になるよう設定されている。
尚、開き角θは１５°〜２５°の間の角度、例えば、２０°に予め設定されており、噴霧角αが燃圧、筒内圧の違いによって変化し、噴霧角αと開き角θとの関係が変化するようになっている。
まず、成層燃焼が行われる温間時、例えば、燃圧が１２ＭＰａで、筒内圧が１ＭＰａの時は、図８（ａ）に示すように、第１噴口、第２噴口（第３噴口）から噴射される燃料の噴霧角α１は共に広がり、第１噴口と第２噴口（第３噴口）との開き角θ１よりもその角度が大きくなっている。
従って、各噴霧角α１は互いに接近し、第１噴口と第２噴口、及び第１噴口と第３噴口から噴射された燃料噴霧間に、相互干渉効果が生じる状態とされている。
尚、温間時に噴霧角α１が拡大するのは、燃圧、筒内圧ともに高く、燃料と筒内空気との摩擦が大きいため、燃料が気化し、気化した燃料が外方に広がるためである。
また、均一燃焼が行われる冷間始動時、例えば、燃圧が０．５ＭＰａで、筒内圧が０．１ＭＰａの時は、図８（ｂ）に示すように、第１噴口、第２噴口（第３噴口）から噴射される燃料の噴霧角α２は共に小さくなり、第１噴口と第２噴口（第３噴口）との開き角θ１よりもその角度が小さくなっている。
従って、各噴霧角α２は互いに離れて位置し、第１噴口と第２噴口、及び第１噴口と第３噴口から噴射された燃料噴霧間に、相互干渉効果が生じない状態とされている。
尚、冷間始動時噴霧角α２が小さくなるのは、燃圧、筒内圧ともに低く、燃料と筒内空気との摩擦が小さいため、燃料の気化が悪く、燃料の外方への広がりが小さいためである。

また、第１噴口の軸心Ｌ１と、その第１噴口の軸心Ｌ１下方側に配置される第５噴口の軸心Ｌ５との関係については、つぎのような要求がある。
つまり、成層燃焼時の着火性を確保するためには、第１噴口の軸心Ｌ１は、点火プラグの電極Ｅ近傍に指向させる必要があるが、第１噴口に対して第５噴口が接近し過ぎると、第１噴口と第５噴口との間において燃料噴霧間に相互干渉効果が生じ、第１噴口から噴射される燃料噴霧が第５噴口側に引き寄せられ、点火プラグの電極Ｅ近傍に混合気を集めることができなくなる虞がある。
そこで、第１噴口の軸心Ｌ１と、第５噴口の軸心Ｌ５とは、その各噴口から噴射される燃料の噴霧角αと、各噴口の開き角θとが以下に示すような関係に設定されている。
尚、開き角θは、例えば、略３５°に予め設定されており、噴霧角αが燃圧、筒内圧の違いによって変化し、噴霧角αと開き角θとの関係が変化するようになっている。
まず、成層燃焼が行われる温間時、例えば、燃圧が１２ＭＰａで、筒内圧が１ＭＰａの時は、図９（ａ）に示すように、第１噴口、第５噴口から噴射される燃料の噴霧角α３は共に広がるものの、第１噴口と第５噴口との開き角θ２よりもその角度は小さくなっている。
従って、各噴霧角α３は互いに離れて位置し、第１噴口と第５噴口とから噴射された燃料噴霧間に相互干渉効果が生じない状態とされている。
また、均一燃焼が行われる冷間始動時、例えば、燃圧が０．５ＭＰａで、筒内圧が０．１ＭＰａの時は、図９（ｂ）に示すように、第１噴口、第５噴口から噴射される燃料噴霧の噴霧角α４は温間時に対して更に小さくなり、冷間時においても温間時と同様、噴霧角α４は第１噴口と第５噴口との開き角θ２よりも小さくなっている。
従って、各噴霧角α４が互いに離れて位置し、上述の相互干渉効果が生じない状態とされている。
以上のように、第１噴口と第５噴口とは、成層燃焼が行われる温間時、均一燃焼が行われる冷間始動時ともに、上述の相互干渉効果が生じないよう、各噴口から噴射される燃料の噴霧角と、各噴口間の開き角との関係が設定されている。

ここで、開き角θ１が１５°〜２５°の間に設定される理由は、次のとおりである。
つまり、開き角θが小さ過ぎると、各燃料噴霧間の空気ボリュームが少なく、相互干渉効果がより大きく作用することによって噴霧貫徹力Ｌが過剰に大きくなり、噴射された燃料噴霧が点火プラグ１６の電極Ｅ近傍を通過し、点火プラグ１６の電極Ｅ近傍に集めることができないという問題が生じる。
逆に、開き角θが大きすぎると、各燃料噴霧が離れ過ぎ、相互干渉効果を得ることができないという問題が生じる。
そして、これらの問題が生じない開き角θが、燃料噴射弁１８の噴口径を０．１５ｍｍ、燃圧を２０ＭＰａとした場合、１５°〜２５°であることを、解析、実験により確認した。

また、第１噴口乃至第３噴口から点火プラグ１６の電極Ｅまでの距離は、２０ｍｍ以上に設定されている。
以下、図１０に基づき理由を説明する。
まず、噴口から噴射された燃料噴霧は、中心付近に存在し、微粒化していない液状の燃料が分布する中心噴霧領域ａと、その中心噴霧領域ａの外方に存在し、微粒化された燃料が分布する周辺噴霧領域ｂとに分けることができる。
そして、通常、噴口から噴射された燃料噴霧は、噴口から徐々に円錐状に広がっていくものの、周辺噴霧領域ｂは、噴口から２０ｍｍより短いと微粒化が進んでおらず、存在しない状態にある。
一方、点火プラグ１６は、各噴霧領域の内、中心噴霧領域ａ内に配置すると点火プラグ１６の電極Ｅが濡れて着火しないことから、中心噴霧領域ａ外方の周辺噴霧領域ｂ内に配置する必要がある。
以上より、点火プラグ１６は噴口から２０ｍｍ以上離れた周辺噴霧領域ｂに配置する必要がある。

ここで、以上のように説明してきた噴霧角α、噴霧貫徹力Ｌの定義について、図１１に基づき説明しておく。
噴霧角αとは、燃料噴射弁１８からの幾何学的な燃料噴射エリアであって、その幾何学的な燃料噴射エリアとは、仮に燃焼室６内に吸気流動がないとした場合における燃料噴霧の液滴エリアのことである。
以下、具体例について説明する。
図１１（ａ）に示すように、燃料噴射弁１８の噴口部Ａ点から２０ｍｍ下流の位置において、噴霧中心線が通る仮想平面と燃料噴霧の輪郭が交差する二点Ｂ、Ｃを決定し、∠ＢＡＣをもって噴霧角αを定義する（α＝∠ＢＡＣ）。
また、図１１（ｂ）に示すように、燃料噴射弁１８の軸心方向に対し、噴霧の最先端部との距離を噴霧貫徹力Ｌとして定義する。
尚、噴霧角α及び噴霧貫徹力Ｌの実際の計測方法としては、例えばレーザーシート法を用いればよい。
すなわち、まず、燃料噴射弁１８により噴射される流体として燃料性状相当のドライソルベルトなる試料を用い、この試料の圧力を常温下において実際に使用される燃料圧力の範囲内の所定値（例えば、１２ＭＰａ）に設定する。また、雰囲気圧力としては、噴霧の撮影が可能なレーザー通過窓と計測用窓とを備えた圧力容器を例えば、０．５ＭＰａに加圧する。そして、常温下において、１パルス当たりの燃料噴射量が９ｍｍ^３／ｓｔｒｏｋｅになるように、燃料噴射弁１８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。この際、燃料噴霧に対してその噴霧中心線を通るように厚さ５ｍｍのレーザーシート光を照射しておいて、このレーザー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、上述の駆動パルス信号の入力時期から１．５６ミリ秒後の撮影画面に基づいて、上述の定義に従って噴霧角θ及び噴霧貫徹力Ｌを決定する。
尚、撮影画像における噴霧の輪郭というのは、液滴状の試料粒子のエリアの輪郭であり、試料粒子のエリアはレーザーシート光によって明るくなるため、撮影画像において輝度の変化している部分から噴霧の輪郭を割り出すようにしている。

従って、本実施形態によれば、温間時は、燃圧、筒内圧ともに高く噴霧角αが広がり易い状態下で、燃料噴射弁１８の第１噴口の軸心Ｌ１と第２噴口の軸心Ｌ２との開き角θ、及び第１噴口の軸心Ｌ１と第３噴口の軸心Ｌ３との開き角θが、それぞれ、その両噴口から噴射される燃料の噴霧角α以下とされるため、第１噴口と第２噴口とからそれぞれ噴射された燃料の噴霧角αの間の空間における空気ボリューム、第１噴口と第３噴口とからそれぞれ噴射された燃料の噴霧角αの間の空間における空気ボリュームが減少し、上述した各燃料噴霧の相互干渉効果が得られるため、着火性を向上することができる。
また、冷間時は、燃料の圧力、筒内圧ともに低くく噴霧角αが広がり難い状態下で、上記開き角が上記噴霧角αよりも大きくされるため、第１噴口と第２噴口から噴射された噴霧角αの間の空間における空気ボリューム、第１噴口と第３噴口から噴射された噴霧角αの間の空間における空気ボリュームが増加し、上述した相互干渉効果を抑制できるため、微粒化した混合気が電極Ｅに多量に付着して着火性が悪化することを抑制できる。
また、第４乃至第８噴口は吸気弁１２の可動範囲外に配置されるため、噴口から噴射された燃料噴霧の吸気弁１２への衝突を極力抑制しつつ、点火プラグ１６の電極Ｅ周辺に混合気を集めることができ、着火性を向上することができる。
また、第１噴口の軸心Ｌ１と第２噴口の軸心Ｌ２との開き角θ、及び第１噴口の軸心Ｌ１と第３噴口の軸心Ｌ３との開き角θが、１５〜２５°の間に設定されるため、上述した相互干渉効果が過剰に大きくなることを抑制しつつ、適切な相互干渉効果が得られるため、着火性を向上することができる。
また、第１乃至第３噴口から点火プラグ１６の電極Ｅまでの距離が２０ｍｍ以上に設定されるため、相互干渉効果を確実に得ることができ、着火性を向上することができるとともに、微粒化した燃料が分布する周辺噴霧領域ｂ内に点火プラグ１６の電極Ｅを配置することができ、微粒化していない燃料が電極Ｅに付着するのを抑制することができる。
また、成層燃焼時、第１噴口の軸心Ｌ１と第５噴口の軸心Ｌ５との間の開き角θが、その両噴口から噴射される燃料の噴霧角αよりも大きくされるため、両噴口から噴射された噴霧角αの間の空間における空気ボリュームが拡大し、上述した各燃料噴霧の相互干渉を抑制できるため、第１噴口から噴射される燃料噴霧が第５噴口側に引き寄せられる現象を抑制でき、点火プラグ１６の電極Ｅ近傍付近に混合気を集めることができる。
また、均一燃焼時は、ピストン側に配置される第４乃至第８噴口から燃料が噴射されるため、燃焼室全体に混合気を分散させることができ、燃焼室６内における混合気の均一化を図ることができる。

尚、本実施形態では、八つの噴口を備えたマルチホール型の燃料噴射弁１８の例を示したが、その他の噴口数を備えたマルチホール型の燃料噴射弁に適用するようにしてもよい。

本発明の実施形態に係る火花点火式直噴エンジンの全体構成図。 本発明の実施形態に係るシリンダヘッド縦断面図。 本発明の実施形態に係る燃料供給系概略図。 （ａ）は本発明の実施形態に係る温間時の燃料噴射制御マップを示す図、冷間時の燃料噴射制御マップを示す図。 （ａ）は本発明の実施形態に係る温間時の燃圧制御マップを示す図、（ｂ）は冷間時の燃圧制御マップを示す図。 本発明の実施形態に係る燃料噴射弁からの燃料噴射状態を示す斜視図。 本発明の実施形態に係る燃料噴射弁の軸心を中心に燃料噴射方向先端側を見た時の軸心に対する各噴口との三次元傾斜角を模式的に示す図。 （ａ）は本発明の実施形態に係る温間時の燃料の噴霧角と第１噴口と第２、第３噴口との開き角との関係を示す図、（ｂ）は冷間始動時の燃料の噴霧角と第１噴口と第２、第３噴口との開き角との関係を示す図。 （ａ）は本発明の実施形態に係る温間時の燃料の噴霧角と第１噴口と第５噴口との開き角との関係を示す図、（ｂ）は冷間始動時の燃料の噴霧角と第１噴口と第５噴口との開き角との関係を示す図。 本発明の実施形態に係る燃料噴霧の噴霧状態を示す説明図。 本発明の実施形態に係る噴霧角、噴霧貫徹力の定義を説明する説明図。

符号の説明

１：エンジン
６：燃焼室
１２、１２：吸気弁
１６：点火プラグ
１８：燃料噴射弁
２３：低圧燃料ポンプ（燃圧調整手段）
２４：低圧レギュレータ（燃圧調整手段）
２６：高圧燃料ポンプ（燃圧調整手段）
２７：高圧レギュレータ（燃圧調整手段）
５０：エンジンコントロールユニット（燃料噴射時期制御手段）
Ｖ：吸気弁の最大リフト位置（吸気弁の可動範囲）
Ｌ：軸心
Ｌ１：第１噴口の軸心（電極下方側噴口の軸心）
Ｌ２：第２噴口の軸心（電極側方側噴口の軸心）
Ｌ３：第３噴口の軸心（電極側方側噴口の軸心）
Ｌ５：第５噴口の軸心（ピストン側方側噴口の軸心）
Ｌ１：第１噴口から噴射された燃料の噴霧角
Ｌ２：第２噴口から噴射された燃料の噴霧角
Ｌ３：第３噴口から噴射された燃料の噴霧角
Ｌ５：第５噴口から噴射された燃料の噴霧角
α１、α２、α３、α４、α５：噴霧角
θ１、θ２、α３：開き角

Claims (6)

1. 燃焼室内に配設される点火プラグと、先端部が上記燃焼室内の周縁に臨むように配設される燃料噴射弁とを備え、該燃料噴射弁から噴射される燃料噴射方向が上記点火プラグの電極近傍に指向された火花点火式直噴エンジンにおいて、
   上記燃料噴射弁から噴射される燃料の燃料噴射時期を、成層燃焼時は圧縮行程に設定するとともに、均一燃焼時は吸気行程に設定する燃料噴射時期制御手段を備えるとともに、
   上記燃料噴射弁には、少なくとも当該燃料噴射弁側から燃料噴射方向先端側を見て、軸心が上記点火プラグの電極の下面に近接する空間に指向する電極下方側噴口と、軸心が上記電極下方側噴口の下方の空間に指向するピストン側噴口とが備えられ、
   該両噴口の配置が、上記両噴口の軸心間の開き角と、上記両噴口から噴射される燃料の噴霧角との関係において、成層燃焼時、上記両噴口の軸心間の開き角が上記噴霧角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。
2. 上記火花点火式直噴エンジンには二つの吸気バルブが備えられるとともに、上記燃料噴射弁の先端部は、上記二つの吸気バルブの間に配設されており、
   上記両噴口は、上記燃料噴射弁の軸心を中心に燃料噴射方向先端側を見て、上記両吸気バルブの可動範囲外の空間に配置されていることを特徴とする請求項１記載の火花点火式直噴エンジン。
3. 上記両噴口の軸心間の開き角が、２５°以上に設定されていることを特徴とする請求項１又は２記載の火花点火式直噴エンジン。
4. 燃焼室内に配設される点火プラグと、先端部が二つの吸気バルブの間における上記燃焼室内の周縁に臨むように配設される燃料噴射弁とを備え、該燃料噴射弁から噴射される燃料噴射方向が上記点火プラグの電極近傍に指向された火花点火式直噴エンジンにおいて、
   上記燃料噴射弁には、少なくとも当該燃料噴射弁側から燃料噴射方向先端側を見て、軸心が上記点火プラグの電極の下面に近接する空間に指向する電極下方側噴口と、軸心が上記電極下方側噴口の下方の空間に指向する複数のピストン側噴口とが備えられ、
   該両噴口は、燃料噴射弁の軸心を中心に燃料噴射方向先端側を見て、上記両吸気バルブの可動範囲外の空間に配置されるとともに、
   上記電極下方側噴口と当該電極下方側噴口と隣接するピストン側噴口との軸心間の開き角が、隣り合う上記各ピストン側噴口軸心間の開き角よりも大き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。
5. 燃焼室内に配設される点火プラグと、先端部が二つの吸気バルブの間における上記燃焼室周縁に臨むように配設される燃料噴射弁とを備え、該燃料噴射弁から噴射される燃料噴射方向が上記点火プラグの電極近傍に指向された火花点火式直噴エンジンにおいて、
   上記燃料噴射弁には、少なくとも当該燃料噴射弁側から燃料噴射方向先端側を見て、軸心が上記点火プラグの電極の下面に近接する空間に指向する電極下方側噴口と、軸心が上記電極下方側噴口の下方の空間に指向するピストン側噴口と、軸心が上記点火プラグの電極の側方に近接する空間に指向する電極側方側噴口とが備えられるとともに、
   上記電極下方側噴口とピストン側噴口との軸心間の開き角が、上記電極下方側噴口と電極側方側噴口との軸心間の開き角よりも大き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。
6. 上記燃料噴射弁から噴射される燃料の燃料噴射時期を、成層燃焼時は圧縮行程に設定する燃料噴射時期制御手段と、
   上記燃料噴射弁に供給される燃料の圧力を、成層燃焼時は成層燃焼用燃圧に設定する燃圧制御手段とを備え、
   上記電極下方側噴口と電極側方側噴口との配置が、上記両噴口の軸心間の開き角と、上記両噴口から噴射される燃料の噴霧角との関係において、上記成層燃焼時、上記開き角が上記噴霧角以下となるよう設定されていることを特徴とする請求項５記載の火花点火式直噴エンジン。

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