JP2006257943A - 火花点火式直噴エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 低負荷領域においては、少量の燃料で確実に着火させることができ、高負荷領域においては、吸入された空気全体を有効に利用することができる火花点火式直噴エンジンを提供する。
【解決手段】 本発明は、火花点火式直噴エンジン（１）であって、一端部に燃焼室（４）が形成されたシリンダ（２）と、ピストン（６）と、燃焼室のほぼ中央部に配置された点火プラグ（１０）と、複数の噴口を備え、燃焼室の周縁部から燃焼室のほぼ中央部に向けて燃料を噴射し、少なくとも燃焼室の天井面に近接する側に向かうプラグ側燃料噴霧（１６）、及びピストンに近接する側に向かうピストン側燃料噴霧（１８）を噴射するインジェクタ（８）と、を有し、ピストンは、その冠面に凹部（６ｅ）が形成されており、この凹部は、インジェクタと点火プラグとを結ぶ方向に長い形状に形成され、インジェクタ側に偏倚していることを特徴としている。
【選択図】 図１

Description

本発明はエンジンに係わり、特に、火花点火式直噴エンジンに関する。

特開２００４−１１６２２号公報（特許文献１）には、火花点火式直噴エンジンが記載されている。この火花点火式直噴エンジンは、複数の噴口を有するインジェクタを備え、各噴口から噴射される燃料噴霧が、点火プラグを避けつつ、点火プラグの電極の周囲に配列されるように構成されている。このエンジンでは、複数の燃料噴霧をこのように配列することにより、着火可能な空燃比の混合気を点火プラグの電極付近に偏在させ、成層燃焼を行うことによって燃費の改善を図っている。

特開２００４−１１６２２号公報

しかしながら、燃料噴霧を点火プラグの周囲に偏在させると、エンジンを低負荷領域で運転する場合には、少量の燃料を確実に着火させることができるため、燃費を向上させる効果があるが、高負荷領域で運転する場合には、吸入された空気全体を燃焼のために有効に利用することができないという問題がある。また、燃料を点火プラグの周囲に噴射することによって燃料を点火プラグの周囲に偏在させた場合、噴霧した燃料が点火プラグの周囲に滞留する時間が短くなり、成層ロバスト性が低下するという問題がある。即ち、成層ロバスト性が低い状態では、成層燃焼運転領域において、適正な濃度の混合気が点火プラグの周囲に滞留する時間が短いため、点火時期や燃料噴霧時期のバラツキにより着火安定性、燃焼安定性が低下する。

従って、本発明は、低負荷領域においては、少量の燃料で確実に着火させることができ、高負荷領域においては、吸入された空気全体を有効に利用することができる火花点火式直噴エンジンを提供することを目的としている。
また、本発明は、成層ロバスト性が高い火花点火式直噴エンジン、即ち、成層運転領域において、点火プラグの周囲に、理論空燃比に近い適正な濃度の混合気が比較的長く滞留して、点火時期や燃料噴射時期がばらついても十分に着火安定性、燃焼安定性を確保できる火花点火式直噴エンジンを提供することを目的としている。

上述した課題を解決するために、本発明は、火花点火式直噴エンジンであって、一端部に燃焼室が形成されたシリンダと、このシリンダ内で往復運動するピストンと、燃焼室のほぼ中央部に配置された点火プラグと、複数の噴口を備え、燃焼室の周縁部から燃焼室のほぼ中央部に向けて燃料を噴射し、少なくとも燃焼室の天井面に近接する側に向かうプラグ側燃料噴霧、及びピストンに近接する側に向かうピストン側燃料噴霧を噴射するインジェクタと、を有し、ピストンは、その冠面に凹部が形成されており、この凹部は、インジェクタと点火プラグとを結ぶ方向に長い形状に形成され、インジェクタ側に偏倚していることを特徴としている。

このように構成された本発明においては、複数の噴口を備えたインジェクタによって、燃焼室の天井面に近接する側に向かうプラグ側燃料噴霧、及びピストンに近接する側に向かうピストン側燃料噴霧が噴射される。ピストンの冠面には、インジェクタと点火プラグとを結ぶ方向に長い形状を有し、インジェクタ寄りに配置された凹部が形成されている。ピストン側燃料噴霧とピストン冠面との間にピストン側燃料噴霧によって生成される渦流は、ピストン冠面に凹部が形成されていることによって大きく成長され、ピストン側燃料噴霧として噴霧された燃料が、点火プラグ付近に移動し、滞留するのを助長する。

このように構成された本発明によれば、燃焼室の天井面に近接する側に噴霧されたプラグ側燃料噴霧に加え、ピストンに近接する側に噴霧されたピストン側燃料噴霧による燃料も点火プラグ付近に移動し、滞留するので、成層ロバスト性を高めることができる。

本発明において、好ましくは、凹部は、インジェクタに近接する側で幅が広く、点火プラグに近接する側で幅が狭くなるような形状に形成されている。
このように構成された本発明によれば、ピストン側燃料噴霧と、ピストン冠面の間の空間を大きく確保することができるので、ピストン側燃料噴霧によってピストン側燃料噴霧とピストン冠面との間に生成される渦流を、より大きく成長させることができ、ピストン側燃料噴霧として噴霧された燃料を、点火プラグ付近に効果的に移動させることができる。

本発明において、好ましくは、凹部は、インジェクタに近接する側が深く、点火プラグに近接する側が浅くなるような形状に形成されている。
このように構成された本発明によれば、ピストン側燃料噴霧と、ピストン冠面の間の空間を大きく確保することができるので、ピストン側燃料噴霧とピストン冠面との間に生成される渦流を、より大きく成長させることができると共に、気化したピストン側燃料噴霧を凹部に沿って点火プラグの方に差し向けることができる。これにより、ピストン側燃料噴霧として噴霧された燃料を、点火プラグ付近に効果的に移動させることができる。

本発明において、好ましくは、インジェクタは、ピストン側燃料噴霧の貫徹力が、プラグ側燃料噴霧の貫徹力よりも大きくなるように構成されている。
このように構成された本発明によれば、ピストン側燃料噴霧とピストン冠面との間に生成される渦流をより強くすることができるので、ピストン側燃料噴霧として噴霧された燃料を、点火プラグ付近に効果的に移動させることができる。また、このように構成された本発明によれば、ピストンとインジェクタが離れた状態で燃料噴霧を開始する運転状態において、シリンダ内に吸入された空気全体に燃料を均一に分布させることができる。

本発明において、好ましくは、インジェクタは、ピストン側燃料噴霧を噴射するピストン側噴口の、噴口部長さを噴口径で除した値である噴口部長／径比が、プラグ側燃料噴霧を噴射するプラグ側噴口の噴口部長／径比よりも大きい。

このように構成された本発明においては、ピストン側燃料噴霧を噴射するピストン側噴口の噴口部長／径比が、プラグ側噴口の噴口部長／径比よりも大きいため、ピストン側燃料噴霧の貫徹力が大きくなる。
このように構成された本発明によれば、ピストン側燃料噴霧とピストン冠面との間に生成される渦流をより強くすることができるので、燃料を点火プラグ付近に効果的に移動させることができる。また、このように構成された本発明によれば、シリンダ内に吸入された空気全体に燃料を均一に分布させることができる。

本発明において、好ましくは、インジェクタは、複数のピストン側燃料噴霧を噴射するように複数のピストン側噴口を備え、ピストン側燃料噴霧のうちの２つは、その中心線が、インジェクタと点火プラグを結ぶ直線の両側に放射状に広がるように向けられ、中心線は、上死点位置にあるピストンの凹部の内側を通る。

このように構成された本発明においては、ピストンが上死点付近に位置する際に噴霧されたピストン側燃料噴霧が、ピストン冠面の凹部の内側に到達するので、ピストン側燃料噴霧とピストン冠面との間に生成される渦流の作用により、ピストン側燃料噴霧として噴霧された燃料を凹部に沿って点火プラグ付近に効果的に移動させることができる。

本発明の火花点火式直噴エンジンによれば、低負荷領域においては、少量の燃料で確実に着火させることができ、高負荷領域においては、吸入された空気全体を有効に利用することができる。
また、本発明の火花点火式直噴エンジンによれば、成層ロバスト性を高くすることができる。

次に、図１乃至図７を参照して、本発明の実施形態による火花点火式直噴エンジンを説明する。図１は、本発明の実施形態による火花点火式直噴エンジンの燃焼室付近を拡大して示す断面図である。図２は、本実施形態の火花点火式直噴エンジンのピストン、インジェクタ、点火プラグ等の位置関係を示す斜視図である。また、図３は本実施形態による火花点火式直噴エンジンのピストンの平面図であり、図４は、図３のIV−IV線に沿って切断したピストン冠面付近の側面断面図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態による火花点火式直噴エンジン１は、シリンダ２と、このシリンダ２の上端に形成された燃焼室４と、シリンダ２の内部で往復運動するピストン６と、を有する。ピストン６の下部には、コネクティングロッド（図示せず）が接続され、このコネクティングロッドは、クランクシャフト（図示せず）に連結されて、ピストン６の往復運動がクランクシャフトの回転運動に変換される。なお、本実施形態のエンジン１は、直列４気筒であり、図１の紙面に垂直な方向に４本のシリンダ２が直線状に並べて配置されている。

また、エンジン１は、燃焼室４の周縁部から中央部に向けて燃料を噴射するインジェクタ８と、燃焼室４のほぼ中央に配置された点火プラグ１０と、を有する。さらに、エンジン１は、燃焼室４の天井面に開口した吸気開口１２ａに連通した吸気ポート１２（図１には１つのみ図示）と、排気開口１４ａに連通した排気ポート１４（図１には１つのみ図示）と、を有する。また、エンジン１は、吸気開口１２ａを開閉するための吸気弁１３（図２のみに図示）と、排気開口１４ａ開閉するための排気弁（図示せず）と、を有する。

燃焼室４は、シリンダ２の上端部に設けられており、その天井面は、中央が高く、その両側に向かって低くなるペントルーフ形状に形成されている。また、燃焼室４の傾斜した天井面には、２つの吸気開口１２ａと、２つの排気開口１４ａが形成されている。なお、吸気開口１２ａ及び排気開口１４ａは、夫々、図１の紙面に垂直な方向に２つずつ並べて配置されている。さらに、燃焼室４の天井面の中央部から、鉛直下方に延びるように点火プラグ１０が配置されている。また、燃焼室４の天井面に形成された２つの吸気開口１２ａの間には、インジェクタ８が配置されている。このインジェクタ８は、燃焼室４の周縁部から点火プラグ１０が配置された中央部の方に燃料を噴射するように向けられている。即ち、インジェクタ８は、その中心軸が、鉛直上方から見てシリンダ２の中心点を通り、側面から見て斜め下方を向くように配置されている。

ピストン６は、図３及び図４に示すように、平面状のピストン冠面の上に、最も高い頂点６ａから両側に向かって低くなるペントルーフ状の隆起部６ｂを形成した形状を有する。また、隆起部６ｂの周囲には水平方向に向けられた平面であるスキッシュ面６ｃが形成されている。さらに、隆起部６ｂには、インジェクタと点火プラグを結ぶ方向、即ち、図３のIV−IV線の方向に延びる方向に隆起部６ｂを切り欠いた切欠部６ｄが形成されている。この切欠部６ｄの底部には、さらに深く、ピストン６の冠面を窪ませた凹部６ｅが形成されている。

凹部６ｅは、IV−IV線の方向の長さＡが、IV−IV線に直交する方向（クランクシャフトが延びる方向）の幅Ｂよりも長い形状に形成されている。また、凹部６ｅは、インジェクタ８寄りに、即ち、凹部６ｅの長さＡの中点Ｏ１が、ピストン６の中心点Ｏに対して、インジェクタ８側に位置するように配置されている。さらに、凹部６ｅは、点火プラグ１０の側が細くなった卵型形状に、即ち、中点Ｏ１よりもインジェクタ８側の位置で幅が最大となり、インジェクタ８から点火プラグ１０の方向に向かって幅が次第に狭くなるように形成されている。なお、本明細書においては、図３及び図４における右側をインジェクタ側又はインジェクタに近接する側と呼び、左側を点火プラグ側又は点火プラグに近接する側と呼んでいる。

また、凹部６ｅの底面は、インジェクタ８の側が深く、点火プラグ１０の側が浅く形成されている。さらに、凹部６ｅの底面は、最も深い最深位置では、ピストン６のスキッシュ面６ｃ（ピストン６の冠面）よりも低く、最深位置から点火プラグ１０の側に向かってなだらかに浅くなるように形成されている。

次に、図５及び図６を参照して、インジェクタ８の構成を説明する。図５はインジェクタ８の先端部の拡大断面図である。また、図６は、インジェクタ８から噴射される燃料噴霧の方向を示す図であり、インジェクタ８先端部の軸心から、燃料の噴射方向を見たとき、インジェクタ８の噴口が向けられている角度を示す図である。

インジェクタ８は、燃焼室４の周縁部から、燃焼室の中央部に向かって燃料を噴霧するように構成されている。図５に示すように、インジェクタ８の先端部は、円筒状のインジェクタ本体８ａと、その中で往復移動するニードル８ｂと、を有する。インジェクタ本体８ａの先端面は閉鎖され、その中心には半球状の凸部８ｃが形成されている。この凸部８ｃには、６つの微小な噴口８ｄ（図５には２つのみ図示）が形成されている。ニードル８ｂは、ソレノイド型のアクチュエータ（図示せず）によって往復移動され、ニードル８ｂが前進すると、インジェクタ本体８ａ内の燃料の通路が閉鎖されて燃料噴霧は停止され、後退すると燃料の通路が開放されて、インジェクタ本体８ａ内部の燃料が、噴口８ｄを通して燃焼室内に噴霧されるようになっている。なお、本実施形態においては、インジェクタ８の各噴口８ｄの直径は、０．３乃至０．５ｍｍであり、インジェクタ本体８ａ内には、約２０ＭＰａに加圧された燃料が供給される。

また、図２に示すように、インジェクタ８は、図２における上側、即ち、燃焼室４の天井面に近接する側に噴霧される３つのプラグ側燃料噴霧１６ａ、１６ｂ、１６ｃと、図２における下側、即ち、ピストン６に近接する側に噴霧される３つのピストン側燃料噴霧１８ａ、１８ｂ、１８ｃと、を噴霧する。図６に示すように、プラグ側燃料噴霧１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、インジェクタ８先端部の軸心に対して上方に傾斜して噴霧される。プラグ側燃料噴霧１６ａ、１６ｂは、最も上方に、即ち、燃焼室４の天井面に近接する方向に向けられ、点火プラグ１０の点火点（電極部）１０ａの両側に、点火点１０ａの真横を夫々通るように噴霧される。また、プラグ側燃料噴霧１６ｃは、プラグ側燃料噴霧１６ａ、１６ｂよりも僅かに下方に向けて、点火点１０ａの真下を通るように噴霧される。

一方、ピストン側燃料噴霧１８ａは、インジェクタ８先端部の軸心に対して僅かに下方に傾斜して、プラグ側燃料噴霧１６ｃの真下に噴射される。また、ピストン側燃料噴霧１８ｂ、１８ｃは、ピストン側燃料噴霧１８ａよりも更に下方に傾斜して、真横に並んで噴霧される。ピストン側燃料噴霧１８ｂと１８ｃの為す角は、プラグ側燃料噴霧１６ａと１６ｂの為す角よりも僅かに小さくなっている。また、ピストン側燃料噴霧１８ｂ及び１８ｃは、それらの各中心線が、インジェクタ８と点火プラグ１０を結ぶ直線の両側に放射状に広がるように向けられ、さらに、各中心線は、上死点位置にあるピストン６の凹部６ｅの内側を通るように向けられている。
さらに、本実施形態においては、６つの噴口８ｄは、プラグ側燃料噴霧１６ａ、１６ｂ、１６ｃを噴霧する各噴口の噴口径Ｄ１が、ピストン側燃料噴霧１８ａ、１８ｂ、１８ｃを噴霧する各噴口の噴口径Ｄ２よりも大きくなるように構成されている。また、プラグ側燃料噴霧１６ａ、１６ｂ、１６ｃを噴霧する各噴口の噴口部長さＬ１と、ピストン側燃料噴霧１８ａ、１８ｂ、１８ｃを噴霧する各噴口の噴口部長さＬ２は等しく構成されている。このため、ピストン側燃料噴霧１８ａ、１８ｂ、１８ｃを噴霧する各噴口の噴口部長さを噴口径で除した値である噴口部長／径比（Ｌ２／Ｄ２）は、プラグ側燃料噴霧１６ａ、１６ｂ、１６ｃを噴霧する各噴口の噴口部長／径比（Ｌ１／Ｄ１）よりも大きくなる。

このため、ピストン側燃料噴霧１８ａ、１８ｂ、１８ｃのペネトレーション（貫徹力）は、プラグ側燃料噴霧１６ａ、１６ｂ、１６ｃのペネトレーションよりも大きくなる。ペネトレーションとは、貫徹力とも呼ばれ、噴霧が到達可能な距離である。なお、本実施形態においては、各噴口の噴口部長さを一定とし、噴口径を変化させることによって、ピストン側燃料噴霧のペネトレーションをプラグ側燃料噴霧よりも大きくしているが、変形例として、噴口径を一定とし、噴口部長さを変化させることによってペネトレーションを変化させても良く、また、噴口径及び噴口部長さの両方を変化させることによってペネトレーションを変化させても良い。

次に、図７を参照して、本発明の実施形態による火花点火式直噴エンジン１の作用を説明する。図７は、本実施形態によるエンジン１を低負荷、低回転状態で運転した場合における、燃焼室４内の空気の流れをシミュレーションした結果を示すグラフである。図７中の小さい多数の矢印は、燃焼室４内の各点における空気の流れの方向を示し、大きな二重線の矢印Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３は、各点における流れの方向から認められる燃焼室４内の大きな渦流を示し、破線の矢印は、燃料噴霧の中心線の方向（１６ｂ、１８ｃのみ図示）を示している。

エンジン１は、その吸気工程において、吸気弁１３がリフトして、吸気開口１２ａが開放されると共に、ピストン６が下降する。これにより、吸気開口１２ａを介してシリンダ２内に空気が吸入される。シリンダ２内に空気が吸入された後、吸気弁１３は吸気開口１２ａを閉鎖する。次いで、圧縮工程においては、下死点からピストン６が上昇に転じ、吸気工程で吸入された空気が圧縮される。

低負荷、低回転でエンジン１を運転する場合には、インジェクタ８から燃焼室４内に噴霧される燃料の総量が少ないため、燃料の噴霧は、圧縮工程後期におけるピストン６の上死点前３５゜乃至２５゜付近で開始される。本実施形態においては、インジェクタ８は、６つの噴口８ｄを有するので、６つの燃料噴霧が燃焼室４内に噴射される。図７は、この燃料噴霧によって生じる燃焼室４内の空気の流れの一例を示す図である。

一般に、空気中に燃料が噴霧されると、噴射された燃料の流れによって周囲の空気が巻き込まれ、噴霧の周囲に空気の流れが生じる。この噴霧の周囲に生成される空気の流れは、燃料の流れに沿う方向の渦流となる。例えば、図７に示すような方向に燃料が噴霧された場合には、噴霧の下側には反時計回りの渦流が生成され、噴霧の上側には時計回りの渦流が生成される。本実施形態においては、インジェクタ８から、６つの燃料噴霧１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１８ａ、１８ｂ、１８ｃが噴射され、それらの噴霧の上下には、時計回り、反時計回りの渦流が夫々形成されることになる。

しかしながら、上下方向に近接する燃料噴霧によって形成される渦流は、回転方向が逆であるため、互いに打ち消しあって大きな渦流には成長しない。例えば、プラグ側燃料噴霧１６ｃの下側に生成される反時計回りの渦流と、ピストン側燃料噴霧１８ａの上側に生成される時計回りの渦流は互いに打ち消しあい、それらの燃料噴霧の間におおきな渦流が形成されることはない。このような渦流の生成及び相殺によって、燃焼室４内には最終的に、図７に示すＶ１、Ｖ２、Ｖ３の大きな渦流が成長する。

図７に示すように、渦流Ｖ１は、ピストン側燃料噴霧１８ｂ及び１８ｃの下側に形成される反時計回りの渦流であり、ピストン側燃料噴霧１８ｂ及び１８ｃとピストン６の冠面に形成された凹部６ｅの底面との間で旋回する流れである。また、渦流Ｖ２は、プラグ側燃料噴霧１６ａ及び１６ｂの上側に形成された時計回りの渦流が、空気の流れと共に燃焼室４の中央付近に移動しながら成長した流れである。渦流Ｖ３は、プラグ側燃料噴霧１６ａ及び１６ｂの下側に形成された反時計回りの渦流が、渦流Ｖ２によってインジェクタ８の反対側に弾き出されるように移動しながら成長した流れである。このように、燃焼室４内に生成される各渦流は、恰もゴムボールのように振舞い、互いに複雑に影響を及ぼしあいながら燃焼室４内全体の流れが形成される。その他の燃料噴霧によって生成される渦流は、他の燃料噴霧によって生成された渦流と互いに相殺され、大きな渦流に成長することはない。

プラグ側燃料噴霧１６ａ、１６ｂ、１６ｃとして燃焼室４内に噴霧された燃料の多くは、気化しながら点火プラグ１０の点火点１０ａの回りに滞留する。一方、ピストン側燃料噴霧１８ａ、１８ｂ、１８ｃとして燃焼室４内に噴霧された燃料は、気化しながら下方に向かう。次いで、気化した燃料は、ピストン６の冠面に形成された凹部６ｅの点火プラグ１０側の底面に沿って上昇し、さらに、渦流Ｖ２とＶ３の間に挟まれるように流れて、点火点１０ａ付近に滞留する。また、ピストン側燃料噴霧１８ａ、１８ｂ、１８ｃの一部は、気化されずに凹部６ｅの底面に到達するが、ピストン６冠面の熱によって気化し、点火プラグ１０に向けて上昇する。ピストン側燃料噴霧１８ａ、１８ｂ、１８ｃの各中心軸線は、ピストン６冠面の凹部６ｅの中を通るように向けられているので、各ピストン側燃料噴霧１８ａ、１８ｂ、１８ｃは、上述した気流に乗って効率良く点火点１０ａ付近に集められる。このように、ピストン側燃料噴霧１８ａ、１８ｂ、１８ｃによって下側に向けて噴霧された燃料は、ピストン６の冠面に形成された凹部６ｅとの相乗効果により、点火点１０ａ付近に差し向けられ、滞留する。

圧縮工程において、さらにピストン６が上昇し、上死点付近に到達すると、点火プラグ１０によって燃焼室４内の混合気に点火され、混合気の燃焼が開始される。本実施形態のエンジン１では、プラグ側燃料噴霧１６ａ、１６ｂ、１６ｃとして点火点１０ａの周囲に噴霧された燃料に加えて、ピストン側燃料噴霧１８ａ、１８ｂ、１８ｃとして下方に噴霧された燃料も、燃焼室４内の渦流によって点火点１０ａ付近に滞留されるので、点火点１０ａ付近に燃料が滞留する時間が長くなる。このため、点火プラグ１０による点火のタイミングにバラツキがあったとしても、また、インジェクタ８による燃料噴射タイミングにバラツキがあったとしても確実に着火が行われ、安定した燃焼が行われる。即ち、成層ロバスト性が高くなる。

ピストン６が上死点を通過し、下降に転じる燃焼行程では、燃焼によって膨張した混合気がピストン６を下方に押し下げる。ピストン６を押圧する力は、コネクティングロッド（図示せず）を介してクランクシャフト（図示せず）に伝達され、クランクシャフトを回転させるトルクに変換される。次いで、ピストン６が下死点を通過し、上昇に転じる排気工程では、排気弁（図示せず）がリフトして排気開口１４ａが開放され、燃焼した混合気が排気ポート１４を介して排気される。さらに、ピストン６が上昇して、上死点を通過すると、吸気工程が開始される。以上の工程を繰り返すことにより、エンジン１が運転される。

上記のように、本実施形態のエンジン１では、ピストン側燃料噴霧１８ａ、１８ｂ、１８ｃとして噴霧された燃料が、燃焼室４内の渦流によって点火点１０ａ付近に滞留される。これに対して、従来のエンジンでは、ピストン冠面に凹部が形成されていないため渦流Ｖ１が成長するための空間が存在せず、ピストン側燃料噴霧の下側の渦流は、燃焼室の壁面及びピストン冠面に阻まれて非常に小さなものとなる。このように渦流Ｖ１が小さくなると、プラグ側燃料噴霧１６ｂの上側に生成される渦流Ｖ２が非常に大きく成長し、点火プラグの点火点１０ａ付近を包囲して旋回する渦になる。点火点付近が大きな渦流Ｖ２によって包囲されると、ピストン側燃料噴霧１８ｃによってピストン冠面付近に到達し、そこで気化した燃料の点火点１０ａ付近への上昇が渦流Ｖ２によって阻まれる。このため、ピストン側燃料噴霧として噴霧された燃料は、点火点付近に滞留することができなくなる。

次に、エンジン１が、高負荷、高回転の状態で運転される場合について説明する。高負荷、高回転の状態では、インジェクタ８から噴霧される燃料の総量が増大する。このため、インジェクタ８から燃料を噴霧する時間が長くなり、圧縮工程の初期、或いは吸気工程から燃料の噴霧が開始される。このため、インジェクタ８からの燃料は、シリンダ２内でピストン６が下降している比較的広い空間に噴射される。

本実施形態のエンジン１では、インジェクタ８が、燃焼室４の天井面に近接した側にはプラグ側燃料噴霧１６ａ、１６ｂ、１６ｃを、及びピストン６に近接した側にはピストン側燃料噴霧１８ａ、１８ｂ、１８ｃを噴射する。プラグ側燃料噴霧１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、気化した燃料を、燃焼室４及びシリンダ２の側壁で画定される空間の上部に分配する。また、ピストン側燃料噴霧１８ａ、１８ｂ、１８ｃは、気化した燃料を、シリンダ２の側壁及びピストン６冠面で画定される空間の下部に分配する。この結果、高負荷、高回転の状態で噴霧される多量の燃料は、シリンダ２内に比較的均一に分布し、シリンダ２内の空気が効率良く燃焼に利用される。

さらに、本実施形態のエンジン１に使用されているインジェクタ８は、プラグ側燃料噴霧１６ａ、１６ｂ、１６ｃの貫徹力よりも、ピストン側燃料噴霧１８ａ、１８ｂ、１８ｃの貫徹力の方が大きくなるように構成されているため、シリンダ２の下方まで、効率良く燃料を分布させることができる。

他の工程におけるエンジン１の作用は、低負荷、低回転運転の場合と同様であるので、説明を省略する。

本発明の実施形態の火花点火式直噴エンジンによれば、プラグ側燃料噴霧に加え、ピストン側燃料噴霧として噴霧された燃料も、燃焼室内の渦流の作用によって点火プラグ付近に滞留するので、低負荷領域における少量の燃料でも、点火プラグ付近に適正な濃度の混合気を比較的長く滞留させることができ、確実に着火させ、安定燃焼させることができる。即ち、混合気の成層ロバスト性を向上させることができる。

また、本発明の実施形態の火花点火式直噴エンジンによれば、ピストンに近接する方向にもピストン側燃料噴霧として燃料を噴霧するので、高負荷領域において、シリンダ内に吸入された空気全体を有効に利用することができる。

さらに、本発明の実施形態の火花点火式直噴エンジンによれば、ピストン側燃料噴霧の貫徹力がプラグ側燃料噴霧の貫徹力よりも大きいので、ピストン側燃料噴霧の下側に生成される渦流が強くなり、ピストン側燃料噴霧として噴霧された燃料を、より効果的に点火プラグ付近に滞留させることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。

本発明の実施形態による火花点火式直噴エンジンの燃焼室付近を拡大して示す断面図である。 本発明の実施形態による火花点火式直噴エンジンのピストン、インジェクタ、点火プラグ等の位置関係を示す斜視図である。 本発明の実施形態による火花点火式直噴エンジンのピストンの平面図である。 本発明の実施形態による火花点火式直噴エンジンのピストンを図３のIV−IV線に沿って切断したピストン冠面付近の側面断面図である。 本発明の実施形態による火花点火式直噴エンジンのインジェクタ先端部の拡大断面図である。 インジェクタから噴射される燃料噴霧の方向を示す図である。 本発明の実施形態による火花点火式直噴エンジンを低負荷、低回転状態で運転した場合における、燃焼室内の空気の流れをシミュレーションした結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 火花点火式直噴エンジン
２ シリンダ
４ 燃焼室
６ ピストン
６ａ 頂点
６ｂ 隆起部
６ｃ スキッシュ面
６ｄ 切欠部
６ｅ 凹部
８ インジェクタ
８ａ インジェクタ本体
８ｂ ニードル
８ｃ 凸部
８ｄ 噴口
１０ 点火プラグ
１０ａ 点火点
１２ 吸気ポート
１２ａ 吸気開口
１３ 吸気弁
１４ 排気ポート
１４ａ 排気開口
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ プラグ側燃料噴霧
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ ピストン側燃料噴霧

Claims (6)

1. 火花点火式直噴エンジンであって、
   一端部に燃焼室が形成されたシリンダと、
   このシリンダ内で往復運動するピストンと、
   上記燃焼室のほぼ中央部に配置された点火プラグと、
   複数の噴口を備え、上記燃焼室の周縁部から上記燃焼室のほぼ中央部に向けて燃料を噴射し、少なくとも上記燃焼室の天井面に近接する側に向かうプラグ側燃料噴霧、及び上記ピストンに近接する側に向かうピストン側燃料噴霧を噴射するインジェクタと、
   を有し、
   上記ピストンは、その冠面に凹部が形成されており、この凹部は、上記インジェクタと上記点火プラグとを結ぶ方向に長い形状に形成され、上記インジェクタ側に偏倚していることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
2. 上記凹部は、上記インジェクタに近接する側で幅が広く、上記点火プラグに近接する側で幅が狭くなるような形状に形成されている請求項１記載の火花点火式直噴エンジン。
3. 上記凹部は、上記インジェクタに近接する側が深く、上記点火プラグに近接する側が浅くなるような形状に形成されている請求項１又は２記載の火花点火式直噴エンジン。
4. 上記インジェクタは、上記ピストン側燃料噴霧の貫徹力が、上記プラグ側燃料噴霧の貫徹力よりも大きくなるように構成されている請求項１乃至３の何れか１項に記載の火花点火式直噴エンジン。
5. 上記インジェクタは、上記ピストン側燃料噴霧を噴射するピストン側噴口の、噴口部長さを噴口径で除した値である噴口部長／径比が、上記プラグ側燃料噴霧を噴射するプラグ側噴口の噴口部長／径比よりも大きい請求項１乃至４の何れか１項に記載の火花点火式直噴エンジン。
6. 上記インジェクタは、複数の上記ピストン側燃料噴霧を噴射するように複数のピストン側噴口を備え、上記ピストン側燃料噴霧のうちの２つは、その中心線が、上記インジェクタと上記点火プラグを結ぶ直線の両側に放射状に広がるように向けられ、上記中心線は、上死点位置にある上記ピストンの上記凹部の内側を通る請求項１乃至５の何れか１項に記載の火花点火式直噴エンジン。

Images