JP2007177739A - 火花点火式直噴エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴霧がシリンダ内壁面に多量に付着されるのを防止する。
【解決手段】燃焼室周縁部でかつ平面視において２つの吸気弁１２の間において、燃料噴射弁１８が配設される。燃焼室６内に突出している点火プラグ１６の電極Ｅの近傍左右に、燃料噴射弁１８の左側噴口（軸線Ｌ２）と右側噴口（軸線Ｌ３）とが指向される。吸気弁１２が最大リフト量付近の基本噴射時期に燃料噴射が実行されて、燃料噴霧と吸気弁１２との干渉（衝突）が防止される。エンジン冷機時には、吸気弁１２を吸気遅開きに変更すると共に最大リフト量を小さくして、左右噴口からの燃料噴霧が吸気弁１２と干渉するタイミングでもって燃料噴射が行われる。
【選択図】 図１６

Description

本発明は、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ものである。

従来、特許文献１に開示されているように、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燃料噴射弁（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て火花点火式直噴エンジンが知られている。成層燃焼を行う場合、１つの気筒に２つの吸気弁を有する場合には、平面視において、２つの吸気弁間において燃焼室周縁部に燃料噴射弁を配設することも行われている。燃料噴射弁の噴口を直接電極に指向させた場合は、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。このため、特許文献１には、燃焼室周縁部に配設した燃料噴射弁を、例えば８つの噴口を有するマルチホール型として、そのうちの３つの噴口を、点火プラグの電極近傍の下方に指向された下側噴口（特定噴口）、電極近傍で左方に指向された左側噴口、電極近傍で右方に指向された右側噴口として、この３つの噴口からの燃料噴霧によって電極近傍に濃混合気層を形成する成層化を得るようにしたものが開示されている。

また、特許文献１には、上記３つの噴口以外の５つの噴口を、均一燃焼のために、電極から離れた部分となるピストン頂面に指向させたものが開示されている。そして、特許文献１のものでは、燃料噴射弁の軸心にもっとも近い軸線（軸心）を有する噴口が、ピストン側が噴口のうち下側噴口の真下方向に位置される噴口となるように設定されたものが開示されている。

また、特許文献１には、さらに次のような技術内容も開示されている。すなわち、エンジンの低回転・低負荷域となる所定運転領域において、成層燃焼のために、圧縮行程途中で燃料噴射を行って電極周りにリッチな混合気を生成する一方、その他の運転領域では吸気行程中に燃料噴射を行って均一燃焼を行うことが開示されている。また、複数の噴口から噴射された燃料噴霧同士の相互干渉効果を利用して、点火プラグの電極周りに効果的にリッチとすることも提案されている。なお、特許文献２にも、特許文献１と同様なマルチホール型の燃料噴射弁を燃焼室周縁部に設けたものが開示されている。

さらに、特許文献３には、マルチホール型燃料噴射弁を、点火プラグと同様に燃焼室の略中央部に設けたものが開示されている。この特許文献３のものは、燃料噴射弁からの燃料噴霧をピストン頂面に指向させて、ピストン頂面で反射されて上昇される燃料噴霧が電極近傍を通過するようにしたものとなっている。さらにまた、特許文献４には、吸気弁の開弁特性を変更するもの、特に位相変更機構とリフト量変更機構とを組み合わせて、開閉時期やリフト量等を変更できるようにしたものが開示されている。
特開２００５−９８１１９号公報 特開２００５−２７３５５４号公報 特開２００５−２５６７９１号公報 特開２００４−３０１０５８号公報

前述のように、燃焼室周縁部でかつ平面視において２つの吸気弁の間に配設された燃料噴射弁が、電極近傍の左右側方に指向される左側噴口と右側噴口とを有する場合に、冷間時の低負荷域において吸気行程で燃料噴射を行うと、この左右の噴口からの燃料噴霧が、燃料噴射弁とは反対側に位置されるシリンダ内壁面（シリンダライナ）に多量に付着してしまい、この結果エンジンオイルを希釈してしまう等の問題を生じる。すなわち、冷間時にエンジンを始動して、エンジンが十分に暖機されていない状態では、左右の噴口から噴射された燃料噴霧は、低負荷域であることから筒内流動が弱いために途中で十分に気化、霧化されずに、燃料噴射弁とは反対側のシリンダ内壁面に多量に付着し、シリンダ内壁面そのものも冷えているいるために、付着した燃料噴霧の多くが気化、霧化されずに付着したままとなってしまうことになる。勿論、シリンダ内壁面に燃料噴霧が付着したままでは、エンジンオイルの希釈のみならず、未燃成分の発生原因ともなって好ましくないものとなる。

本発明は、以上のような事情を勘案してなされたもので、その目的は、燃料噴霧がシリンダ内壁面に多量に付着されたままとなってしまう事態を防止あるいは抑制できるようにした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、本発明における火花点火式直噴エンジンにあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち、特許請求の範囲における請求項１に記載のように、
各気筒毎に、２つの吸気弁と、燃焼室の略中央部に電極が位置するように配設された点火プラグと、平面視において２つの吸気弁の間の燃焼室周縁部に配設されて燃焼室内に直接燃料噴射を行う複数の噴口を有するマルチホール型の燃料噴射弁とが設けられ、
前記複数の噴口として、少なくとも前記電極の左側近傍に指向された左側噴口と該電極の右側近傍に指向された右側噴口とを有するように設定された火花点火式直噴エンジンにおいて、
エンジン暖機前の状態での低負荷域となる所定運転領域において、吸気行程のうち前記左右の噴口からの燃料噴霧が吸気弁に対して衝突するタイミングで燃料噴射を実行するように設定されている、
ようにしてある。上記解決手法によれば、左右の噴口からの燃料噴霧は、途中で吸気弁に衝突されることよって、燃料噴射弁とは反対側のシリンダ内壁面に燃料噴霧が多量に付着されてしまう事態が防止あるいは抑制されることになる。また、燃料噴霧の吸気弁への衝突によって、燃料噴霧の気化、霧化が促進されることにもなる。

上記解決手法を前提とした好ましい態様は、特許請求の範囲における請求項２以下に記載のとおりである。すなわち、
前記所定運転領域のときに、吸気弁が、吸気行程のうち吸気上死点よりも大きく遅れた位置で開弁される吸気遅開きとされる、ようにしてある（請求項２対応）。この場合、吸気遅開きによって、ピストン速度が十分に上昇したタイミングでもって吸気が筒内に一気に導入されるので、筒内の吸気流動が高まり、燃料噴霧の気化、霧化が促進されると共に、燃料噴射弁とは反対側のシリンダ内壁面に燃料噴霧が付着する量も低減されることになる。勿論、吸気遅開きによって、ポンピグロス低減にもなる。

エンジン始動後に点火時期を大きくリタードさせて排気ガス温度を積極的に上昇させるための昇温制御後における前記所定運転領域において、前記左右の噴口からの燃料噴霧が吸気弁に対して衝突するタイミングでの燃料噴射が実行される、ようにしてある（請求項３対応）。この場合、点火時期の大幅なリタードによって排気ガス温度上昇ひいてはエンジンつまり吸気弁の温度をすみやかに上昇させて、吸気弁に衝突された燃料噴霧の気化、霧化促進の上でより一層好ましいものとなる。

前記所定運転領域において、吸気遅開きとされた吸気弁の閉弁時期が、略吸気
下死点位置となるように設定されている、ようにしてある（請求項４対応）。この場合、吸気弁の開弁期間を極力十分に確保、つまり吸気充・量を十分確保することができ、この分暖機促進ともなる。

前記所定運転領域において、吸気弁の開弁時期が、エンジン温度の上昇に応じて徐々に吸気上死点に近づいて開弁期間が拡大される、ようにしてある（請求項５対応）。この場合、エンジン温度の上昇に応じて開弁期間が十分に確保される状態へと変化されるので、吸気充・量を確保して暖機促進の上で好ましいものとなる。

前記所定運転領域において、少なくとも最大リフト位置にある吸気弁に対して前記左右の噴口からの燃料噴霧が衝突するように燃料噴射が行われる、ようにしてある（請求項６対応）。この場合、筒内の吸気流動が大きくなるタイミングでもって燃料噴射されるので、燃料噴霧の気化、霧化促進の上で好ましいものとなる。

前記電極近傍に指向される噴口として、該電極の先端近傍でその延長線付近に指向された下側噴口を有し、
前記下側噴口、左側噴口および右側噴口の各噴口から前記電極までの距離が２０ｍｍ以上に設定され、
前記下側噴口と前記左側噴口とのなす開き角が１５度〜２５の度の範囲に設定されて、エンジンの低回転・低負荷域となる所定運転領域で該下側噴口からの燃料噴霧と該左側噴口からの燃料噴霧が相互干渉効果によって互いに連続したものとなるように設定され、
前記下側噴口と前記右側噴口とのなす開き角が１５度〜２５の度の範囲に設定されて、前記所定運転領域で該下側噴口からの燃料噴霧と該右側噴口からの燃料噴霧が相互干渉効果によって互いに連続したものとなるように設定されている、
ようにしてある（請求項７対応）。この場合、電極周りでの成層化状態が、燃料噴射弁から電極を見たとき、濃混合気が略Ｖ字状となって電極の下方および左右側方を囲んだ状態となって、成層化として極めて好ましい状態が得られる。

本発明によれば、燃料噴霧がシリンダ内壁面に多量に付着されたままとなってしまう事態を防止あるいは抑制することができる。

以下に、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明するが、まず全体の概要について説明し、その後、燃料噴射制御の詳細について説明する。

図１は、火花点火式直噴エンジン１を示し、このエンジン１は、紙面直角方向に直列に複数の気筒２を有する直列多気筒（実施形態では４気筒）エンジンとされている（図１では１つの気筒のみが示される）。各気筒２は、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、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が区画されている。燃焼室６は、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つの傾斜面を有するいわゆるペントルーフ型燃焼室とされている。

シリンダヘッド４には、図２に示すように、２つの吸気ポート１０（２つの吸気ポートを区別するときは符合１０Ａ、１０Ｂでもって示すこととする）と、２つの排気ポート１１とが形成されている（図１ではいずれも１つのみ開示）。この２つの吸気ポート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中右側面）に互いに独立して開口されている。各吸気ポート１０の燃焼室６側の開口端には、それぞれ所定のタイミングで開閉作動される吸気弁１２が配置されている（図１ではいずれも１つのみ開示）。２つの排気ポート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中左側面）に開口されている。各排気ポート１１の燃焼室６側の開口端には、それぞれ所定のタイミングで開閉作動される排気弁１３が配置されている（図１ではいずれも１つのみ開示）。

各吸気ポート１０は、吸気通路３０に接続されている。この吸気通路３０には、それぞれ図示を略すが、その上流側から下流側へ順次、エアクリーナ、吸入空気量センサ、スロットル弁、サージタンク等が配設されている。なお、上記スロットル弁は、実施形態では、アクセルペダルとは機械的な連係が遮断されて、アクセル開度に応じて電子的にその開度が変更制御されるようになっている。また、上記サージタンクは、各気筒毎に対して個々独立した独立分岐管によって接続されている（図２で示す吸気通路３０はこの独立分岐管が示される）。

各排気ポート１１は、排気通路３１に接続されている。この排気通路３１には、図１４に示すように、その上流側から下流側へ順次、空燃比センサとしてのリニア酸素センサＳ６、第１三元触媒７１、ＮＯｘ吸収・還元触媒７２、第２三元触媒７３、リニア酸素センサＳ６Ｂが設けられている。なお、上記リニア酸素センサＳ６、Ｓ６Ｂ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。ただし、空燃比制御用の空燃比センサとしては、上流側にあるリニア酸素センサＳ６が用いられる。そして、下流側のリニア酸素センサＳ６Ｂの検出値は、上流側のリニアセンサＳ６での検出値とも比較されて、排気ガス浄化の状態や各触媒の劣化状態等を検出するために用いられる。また、ＮＯｘ吸収・還元触媒７２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。なお、第１三元触媒７１とＮＯｘ吸収・還元触媒７２とは離間しているが、ＮＯｘ吸収・還元触媒７２と第２三元触媒７３とは接近されていて、この第２三元触媒７３は、もっぱら、ＮＯｘ吸収・還元触媒７２からのＮＯｘ放出、還元後の有害成分浄化用とされる。

図１４において、吸気弁の位相変更用の可変位相機構が符合８１で示され（クランクシャフトとカムシャフトとの位相変更）、また、吸気弁のリフト量変更機構用のアクチュエータが符合８２で示される。なお、位相およびリフト量変更のための各機構は、前述した特許文献４に記載のものと同様のものを用いてあり、またこのような機構は従来から種々提案されているので（例えば、吸気弁を直接アクチュエータによって駆動制御するもの等）、この各機構の詳細な説明は省略する。

再び図１において、燃焼室６の上部には、４つの吸排気ポート１０，１１（４つの吸排気弁１２、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（図２をも参照）。この点火プラグ１６の先端の電極Ｅ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る。また、燃焼室６の周縁部には、２つの吸気ポート１０間で、その各吸気ポート１０下方において、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６つの噴口を備えたマルチホール型の燃料噴射弁とされている。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Ｅ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。

図２において、一方の吸気ポート１０Ａに関連して、スワール弁４０が設けられている。すなわち、２つの吸気ポート１０Ａと１０Ｂとは、シリンダヘッド４内において隔壁４ａによって互いに個々独立されている一方、吸気通路３０の下流端部（独立分岐管の下流端部）には、隔壁４ａに連なる隔壁３０ａが形成されて、２つの吸気ポート１０Ａと１０Ｂとは、燃焼室６側から上流側に向けて所定距離だけ互いに独立した通路となるように構成されている。そして、隔壁３０ａには、一方の吸気ポート１０Ａの開度変更を行うスワール弁４０が配設され、このスワール弁４０の駆動が電磁式のアクチュエータ４０ａによって行われる。これにより、スワール弁４０を全開としたときは、２つの吸気ポート１０Ａ、１０Ｂからほど同量の吸気が導入されて、燃焼室６内でのスワールの生成は実質的に行われないことになる。スワール弁４０を全閉とすることにより、他方の吸気ポート１０Ｂからのみ燃焼室６内に吸気が供給されて、燃焼室６内には図２矢印で示すように吸気のスワールが生成されることになる。スワール弁４０の開度を調整することにより、スワールの強さが変更される。

図３に示すように、燃料噴射弁１８の基端部には、全気筒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、燃料分配管１９と燃料タンク２１とを接続する燃料通路２２を有し、この燃料通路２２には、その上流側から下流側に向けて順次、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が接続されている。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。なお、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。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。

図４には、エンジン１を制御するための制御系統が示される。この図４において、５０は、マイクロコンピュータを利用して構成されたコントローラ（制御ユニット）である。このコントローラ５０によって、点火回路１７（点火時期制御用）、燃料噴射弁１８（燃料噴射量および燃料噴射タイミング制御用）、燃料供給系２０の高圧レギュレータ２７（燃圧調整用）、スワール弁４０（のアクチュエータ４０ａ）が制御される他、前述した吸気通路３０に配設された電子制御式のスロットル弁、後述する吸気弁１２用の位相変更機構８１やリフト量変更用アクチュエータ８２が制御される。このコントローラ５０には、エンジン回転数センサＳ１からのエンジン回転数信号、アクセル開度センサＳ２からのアクセル開度信号、温度センサＳ３からのエンジン冷却水温度信号が、クランク角センサＳ４からのクランク角信号、外気温センサＳ５からの外気温度、空燃比センサＳ６からの空燃比信号が入力される。

次に、コントローラ５０による制御の内容について説明する。
１．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６０度Ｃ）以上の温間時は、図５に示す温間時のマップが選択される。温間時のマップは、エンジンの運転状態が低負荷・低回転の所定運転領域にある時、成層燃焼領域とされ、その他の運転領域では均一燃焼領域とされる。また、冷間時の燃料噴射制御マップは、図示を略すが、全ての運転領域において均一燃焼領域とされる。

成層燃焼領域では、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、吸気行程において燃料噴射弁１８から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。なお、エンジン冷間時は、前述したように、全運転領域において均一燃焼が行われる（空燃比は理論空燃比あるいはそれよりもリッチ）。

また、上記低回転・低負荷域となる所定運転領域での高負荷域では、図７に示すように、例えば２段階での分割噴射が実行される。図７に示す分割噴射では、遅い時期に燃料噴射が行われる後段噴射の開始は、例えばＢＴＤＣ３０度〜４０度の範囲に設定され、早い時期に燃料噴射が行われる前段噴射は、後段噴射時期よりも例えばクランク角で４０度程度早い時期に噴射が開始される。上記所定運転領域での高負荷域において、要求される燃料噴射量のうち、後段噴射で噴射される燃料量はほぼ一定量とされて、燃料噴射量の変更は、前段噴射での燃料噴射量の変更によって行われる。なお、前段噴射の噴射時期を、吸気行程に設定することもできる。

２．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、６０度Ｃ）以上の温間時は、図６に示す温間時のマップが選択される。この図６のマップでは、成層燃焼領域では、エンジン回転数の増大に応じて燃圧が徐々に大きくなるように変化され（最低燃圧ａ１が例えば１２ＭＰａとされ、最高燃圧ａ２が例えば２０ＭＰａとされる）。また、均一燃焼領域では、常時、成層燃焼領域での最高燃圧ａ２という一定値とされて、エンジン回転数上昇に伴う燃圧上昇が抑制された状態となる。なお、エンジン温度が所定値よりも低い冷間時は、常時、成層燃焼領域での最高燃圧ａ２に相当する燃圧とされる。また、エンジン始動時の燃圧は、高圧燃料ポンプ２６がカム軸によって駆動される関係で燃圧が十分に上がらないことから、例えば、０．５ＭＰａ程度になっている。

３．スワール制御
エンジン低回転・低負荷域となる所定運転領域では、スワール弁４０が開かれて、燃焼室６内に吸気のスワールが生成される。この場合、スワール弁４０の開度は、上記所定運転領域においては、エンジン負荷の大小にかかわらず例えば常に全閉としてもよいが、低負荷域では開度が大きくされ（全開に近い）、エンジン負荷の増大に伴って徐々に開度が小さくされ、高負荷域で全閉となるように設定することもできる。

次に、図８〜図１１を参照しつつ、燃料噴射弁１８の各噴口について詳述する。まず、図８〜図１０は、燃料噴射弁１８の各噴口から噴射された燃料噴霧の状態を互いに異なる方向から見た状態を示すものである。また、図１１は、マルチホール型の燃料噴射弁１８の軸線を中心に燃料噴射方向先端側を見た時の軸線に対する各噴口の軸線との三次元傾斜角を模式的に示した図である。

図１１において、ＬＢはマルチホール型の燃料噴射弁１８の軸線、Ｌ１ないしＬ６は第１噴口〜第６噴口の各軸線、Ａ１〜Ａ６は第１噴口〜第６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とされており、例えば、０．１５ｍｍに設定されている。ピストン軸線方向から見たとき、点火プラグ１６の電極Ｅを通る気筒２の直径方向延長線上に、燃料噴射弁１８の軸線ＬＢが位置するように、燃料噴射弁１８が配設されている。図１１において、軸線ＬＢを中心とする径方向の目盛りは、１目盛りが５度の開き角を示しており、また、軸線ＬＢを中心とする周方向の目盛りは、１目盛りが１５度の開き角を示している。

各噴口の軸線の位置関係について説明すると、まず、点火プラグ１６の電極Ｅ周りに濃混合気を成層化するための噴口が、第１噴口〜第３噴口とされている。この第１噴口は下側噴口となるもので、その軸線Ｌ１は、軸線ＬＢから電極Ｅ近傍で下方の所定位置に指向するよう配置されている。なお、第１噴口の軸線Ｌ１、噴霧角Ａ１は、２つの吸気弁１２の最大リフト位置の間に位置、つまり、吸気弁の可動範囲外に位置されている。また、第２噴口は、左側噴口となるもので、その軸線Ｌ２は、軸線ＬＢから電極Ｅ近傍で側方（図中左側）の所定位置に指向するよう配置されている。さらに、第３噴口は右側噴口となるもので、その軸線Ｌ３は、軸線ＬＢから電極Ｅ近傍で側方（図中右側）の所定位置に指向するよう配置されている。なお、第２噴口の軸線Ｌ２、噴霧角Ａ２、第３噴口の軸線Ｌ３、噴霧角Ａ３は、ともに吸気弁１２の最大リフト位置の可動範囲内に位置されている。このように、第１噴口と第２噴口と第３噴口との各軸線は、電極Ｅの近傍を指向しつつ、しかも下方および左右側方から電極Ｅを取り囲むように設定されている。

第４噴口〜第６噴口は、それぞれピストン側噴口となるもので、電極Ｅ近傍以外となるピストン頂面に向けて燃料噴射を行うものである。第４噴口の軸線Ｌ４は、軸線ＬＢからピストン側（図中下方側）でピストン下死点位置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噴口の軸線Ｌ５は、軸線ＬＢからピストン側（図中下方側）で、ピストン下死点位置よりも上方側の所定位置（図中センター位置で、第１噴口の軸線Ｌ１の真下位置）に指向するよう配置されている。第６噴口の軸線Ｌ６は、軸線ＬＢからピストン側（図中下方側）でピストン下死点位置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。なお、全噴口から噴射された全体の燃料噴霧は、軸線ＬＢ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。

電極Ｅ周りに燃料噴霧を噴射する３つの噴口、つまり下側噴口、左側噴口、右側噴口のうち、下側噴口の燃料噴霧のペネトレーションが左側噴口と右側噴口からのペネトレーションよりも大きくなるように、下側噴口の軸長が左側噴口の軸長および右側噴口の軸長よりも長く設定されている。なお、電極Ｅ周り以外に燃料噴霧を噴射する各ピストン側噴口の軸長は、左側噴口の軸長および右側噴口の軸長と同一に設定されている。以上に加えて、全噴口のうち下側噴口の軸線Ｌ１が、燃料噴射弁１８の軸線ＬＢにもっとも近い位置となるように設定されており、しかも軸線Ｌ１の軸線ＬＢに対する開き角も、他の噴口における軸線Ｌ２〜Ｌ６の軸線ＬＢに対する開き角よりも小さくなるように設定されている。

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噴口〜第３噴口の軸線Ｌ１〜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、軸線ＬＢよりもピストン側に第４噴口〜第６噴口の軸線Ｌ４〜Ｌ６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噴口と第４噴口〜第６噴口の各軸線Ｌ１、Ｌ４〜Ｌ６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。なお、左右の噴口からの燃料噴霧と吸気弁との積極的な干渉のための制御の点については後述する。

ここで、点火プラグの電極Ｅ近傍に配置される第１噴口〜第３噴口の各軸線Ｌ１〜Ｌ３とは、相互干渉効果を得るために、次のような関係に設定されている。すなわち、第１噴口〜第３噴口（第４噴口〜第６噴口についても同じ）は、電極Ｅに対して２０ｍｍ以上離間した距離とされている。また、第１噴口の軸線Ｌ１と第２噴口の軸線Ｌ２との開き角が１５度〜２５度の範囲（実施形態では２０度）となるように設定され、かつ、第１噴口の軸線Ｌ１と第３噴口の軸線Ｌ３との開き角が１５度〜２５度の範囲（実施形態では２０度）となるように設定されている。これにより、第１噴口からの燃料噴霧と第２噴口からの燃料噴霧とが相互干渉効果によって電極Ｅ近傍で互いに連続したものとなり、同様に、第１噴口からの燃料噴霧と第３噴口からの燃料噴霧とが相互干渉効果によって電極Ｅ近傍で互いに連続したものとなる。この相互干渉効果が得られた状態では、図１１において、電極Ｅ近傍において、軸線Ｌ１からＬ２に向けて伸びる連続した燃料噴霧が生成され、かつ軸線Ｌ１から軸線Ｌ３に向けて伸びる連続した燃料噴霧が生成されることになる（図１１において連続した燃料噴霧の形状が略Ｖ字形状となる）。下側噴口からの燃料噴霧のペネトレーションが、左側噴口および右側噴口からの燃料噴霧のペネトレーションよりも大きくなるように設定することにより、相互干渉効果によって、軸線Ｌ１が電極Ｅに対して下方から接近する方向へと大きく移動されてしまう事態が防止あるいは抑制されることになる。

ここで、エンジン低回転・低負荷域での高負荷域では、筒内圧力が大きくなるため、各噴口から噴射された燃料噴霧のペネトレーションが小さくなる。このペネトレーションが小さくなるということは、特に成層化に関連した第１噴口〜第３噴口から噴射された燃料噴霧が、電極Ｅを通りすぎて反対側のシリンダ壁に向かう割合が減少して、電極Ｅ付近に留まる割合が大きくなることを意味する。したがって、成層化を行う所定運転領域において、特に所定運転領域の高負荷域において、スワールを生成することにより、電極Ｅ周りの濃混合気層が、気筒軸線方向から見たとき、電極Ｅを通って燃料噴射弁の軸線と直交する方向のうち、スワールに乗る側に移動、拡散されるので、この高負荷域において電極Ｅ周りが過度にリッチになりすぎるのを防止する上で好ましいものとなる。

上述した電極Ｅ周りでの過度なリッチ化防止のために、前述のように、スワール生成が行われると共に、圧縮行程中での分割噴射が実行される。スワール生成により、電極Ｅを取り囲んでいた濃混合気層はスワールの勢いによって、全体的に電極Ｅからシリンダ壁面方向へと移動されて、電極Ｅ周辺のうち、濃混合気層の移動方向とは反対側には濃混合気層が位置されない状態となる。これにより、初期燃焼割合が低減されて、燃費向上となる。とりわけ、エンジン低回転・低負荷域での低負荷域から、エンジン負荷の増大に伴って徐々にスワールの強さを強くする（スワール弁の開度をエンジン負荷の増大に応じて徐々に小さくする）ことにより、燃料噴射量の増大に応じた適切な強さのスワールとして、電極Ｅ周りに生成される濃混合気層を、着火性を確保しつつ燃費向上を図ることのできる最適な状態に設定することができる。

以上に加えて、前述した分割噴射を行うことによって、一括噴射（例えば図７後段噴射時期で全ての燃料噴射量を実行する噴射）を行う場合に比して、電極Ｅ周りの濃混合気層生成をより一層促進することができる。すなわち、同じ量の燃料噴射を行う場合であっても、分割噴射の場合は、前段噴射された分の燃料噴霧は、電極Ｅへの通電（点火）実行までの期間に燃焼室６内においてかなりの割合が拡散されてしまい、電極Ｅ周りでの濃混合気層生成には殆ど寄与しないこととなる（後段噴射された燃料噴霧のみが実質的に電極Ｅ周りでの濃混合気層生成に寄与する）。エンジン低回転・低負荷域となる所定運転領域での電極Ｅ周りの混合気濃度は、該所定運転領域での低負荷域での電極Ｅ周りの混合気濃度とほぼ同程度となるように設定するのが好ましいものである。

図１２，図１３は、燃料噴射弁１８のシリンダヘッド４に対する取付例を示すものである。図中、４５はシリンダヘッド４に形成された取付孔であり、図１２では、取付孔４５がシリンダヘッド４の外部への開口端面に開口されている様子が示される。シリンダヘッド４の外側端面には、取付孔４５の周縁部において、２つの位置決め用の突起部４ｃ、４ｄが形成されている。この２つの突起部４ｃと４ｄとの間の距離（相対向する面の間の距離）は、所定寸法となるように精度よく仕上げられている。

燃料噴射弁１８は、前記取付孔４５にがたつきなく挿入される筒部１８ｃと、筒部１８ｃの基端部からほぼ径方向に伸びる突起部１８ｄとを有し、この突起部１８ｄの先端部が、外部からの通電用のカプラが着脱自在に接続される接続端子部１８ｅとされている。なお、実施形態では、筒部１８ｃと突起部１８ｄとが一体成形されているが（電気的接続部分は除く）、突起部１８ｄを筒部１８ｃとは別体に形成して、後に互いに周方向および筒部１８ｃの軸線方向に移動しないように規制された状態で一体に組付するようにしてもよい。

燃料噴射弁１８のシリンダヘッド４に対する取付けは、その筒部１８ｃを所定深さまで取付孔４５に挿入することにより行われる。このとき、燃料噴射弁１８の突起部１８ｃが、シリンダヘッド４に形成された一対の突起部４ｃと４ｄとの間に位置される（挟まれる）。燃料噴射弁１８のｃ突起部１８ｃの幅は、一対の突起部４ｃと４ｄとの間の寸法に対応して精度よく仕上げられて、突起部１８ｃが、一対の突起部４ｃと４ｄとの間にがたつきなく挿入される状態とされる（この状態が図１３の状態である）。そして、図１３の取付状態においては、各噴口の電極Ｅに対する位置関係が図１１の状態となるように設定されている。このように、燃料噴射弁１８の突起部１８ｃは、シリンダヘッド４に形成された一対の突起部４ｃ、４ｄと共に、燃料噴射弁１８を所定の取付角度（回動角度）でもってシリンダヘッド４に取付けるための位置決め（用の治具）の機能をも果たすようになっている。前述したように、下側噴口の軸線Ｌ１が燃料噴射弁１８の軸線ＬＢにもっとも近い位置にあるため、燃料噴射弁１８をエンジンへの取付状態からその周方向に回動させたときに、軸線Ｌ１の電極Ｅに対する上下方向の距離の変動量が、他の軸線Ｌ２〜Ｌ６に比して軸線Ｌ１がもっとも小さいものとなる。すなわち、軸線Ｌ１と電極Ｅとの上下方向距離が極力一定値となるようにする上で好ましい設定となっている。

図１５、図１６は、吸気弁の開弁特性の変更例を示すものであり、図１５は温間時用、図１６は冷間時用のものが示される。温間時用となる図１５において、開弁特性が、Ｂ１〜Ｂ６で示すように、温度に応じて段階的（連続可変式でもよい）に変化される。Ｂ６が基本特性となるもので、吸気上死点付近で開弁され、吸気下死点付近で閉弁される。温度が低くなるつれて吸気早閉じとされる(開弁時期はＢ１〜Ｂ６で同一時期となるように設定）。吸気弁１２のリフト量がδ１とδ２との範囲にあるときに、電極Ｅの左右近傍に指向された左右の噴口からの燃料噴霧が吸気弁１２に対して衝突されるタイミングとなる。温間時では、シリンダ内壁面への燃料噴霧の多量付着という問題を生じにくく、しかも筒内の温度も高くて途中で燃料噴霧の気化、霧化が促進されるので、燃料噴射は、極力吸気弁１２と衝突しないタイミングとなるように行われる。なお、図１５に示す燃料噴射のタイミングはあくまで一例であり、燃料噴霧と吸気弁１２との衝突回避のために、開弁特性の変更に応じて燃料噴射時期を変更することもできる（分割噴射も可）。

冷間時用となる図１６においては、外気温度が例えば０度Ｃ以下のときに用いられる。冷間時用の開弁特性は実線で示すＣ１〜Ｃ３であり、温度に応じて段階的（連続可変式でもよい）に変化されて、温度がある程度以上となると、温間時用の開弁特性へと移行される（図１６では温間時用の開弁特性Ｂ４〜Ｂ６が破線で示される）。冷間時の開弁特性は、いずれも吸気上死点から大きく遅れた時期に開弁される吸気遅開きとされて、閉弁時期はいずれも吸気下死点付近の同一時点となるように設定されている。吸気弁１２のリフト量がδ１とδ２との範囲にあるときに、電極Ｅの左右近傍に指向された左右の噴口からの燃料噴霧が吸気弁１２に対して衝突されるタイミングとなる。冷間時での低負荷域、つまり外気温度が低い冷間時にエンジン始動した後、エンジンが暖機される前の状態（例えばエンジン冷却水温度が２０度Ｃ以下のとき）で、しかも図５に示すような低負荷域のときは、左右の噴口からの燃料噴霧が吸気弁１２と衝突するタイミング（クランク角）となったときに燃料噴射を行うように設定される。特に、極冷間時（例えば−２０度Ｃ以下）に選択される開弁特性Ｃ１のときに、吸気弁１２が最大リフト位置にあるときに燃料噴霧が吸気弁１２と衝突するタイミングでもって燃料噴射を行うように設定されている。勿論、開弁特性の変更に応じて、吸気弁１２に対して十分に長い期間衝突するように、燃料噴射時期を変更することもでき、このために燃料噴射時期を分割噴射とすることもできる（例えば開弁特性Ｃ３が選択されているときは、吸気弁１２の開弁前期と開弁後期との分割噴射とする）。

次に、図１７に示すフローチャートを参照しつつ、燃料噴霧を吸気弁１２へ衝突させる場合の制御例について説明するが、このフローチャートは、エンジン冷機時でかつ外気温度が所定温度以下の冷間時でのエンジン始動によってスタートされる。なお、以下の説明でＲはステップを示す。まず、Ｒ７１において、エンジン始動操作（スタータモータによる駆動）によって、エンジンが完爆したか否かが判別される。このＲ７１での判別は、例えばエンジン回転数が所定回転数（例えば５００ｒｐｍ）以上になったか否かをみることによって行われる。Ｒ７１の判別でＮＯのときはＲ７１の判別が繰り返され、Ｒ７１の判別でＹＥＳとなったときに、Ｒ７２において、昇温制御が行われる。この昇温制御は、吸気行程での燃料噴射となる均一燃焼とされるが、排気ガス浄化触媒の活性化を早期に行うために排気ガス温度を上昇させる制御であって、点火時期を大きくリタードさせる制御となる。この昇温制御は、所定期間（例えば１０〜２０秒）程度実行され、この昇温制御によって、エンジン（吸気弁１２）も早期に昇温されることになる。

Ｒ７２の後、Ｒ７３において、図５に示す低負荷域であるか否かが判別される。このＲ７３の判別でＹＥＳのときは、Ｒ７４において、干渉制御が行われる。この干渉制御は、前述したように、左右の噴口からの燃料噴霧を吸気弁１２に対して積極的に衝突させる制御である（吸気弁１２の開弁特性は図１６のＣ１〜Ｃ３）。Ｒ７２での昇温制御の実行後であるので、吸気弁１２もかなり昇温されており、この分、吸気弁１２に衝突された燃料噴霧の気化、霧化が促進されることになる。上記Ｒ７４の後は、Ｒ７５において、エンジンが暖機状態となったか否かが判別される（例えばエンジン冷却水温度が３０度Ｃ以上になったか否かが判別される）。このＲ７５の判別でＮＯのときは、Ｒ７３に戻る。そして、Ｒ７５の判別でＹＥＳとなったときに、Ｒ７６に移行して、図５について説明したように通常の制御が実行される（冷却水温度に応じて、全域均一燃焼が行われる場合と、図５のマップにしたがう場合とに区別される）。

前記Ｒ７３の判別でＮＯのときは、Ｒ７７において、均一燃焼が行われた後、Ｒ７５に移行されるる。ただし、Ｒ７７での処理は、エンジン暖機前なので、点火時期が若干リタードされて（Ｒ７２でのリタード量よりは小さいリタード量とされる）、エンジンの暖機促進が図られる。

以上実施形態について説明したが、本発明はこれに限らず、特許請求の範囲に記載された範囲において種々の変更が可能であり、例えば次のような場合をも含むものである。燃料噴射弁１８（１８Ｂ）の噴口の数は、５あるいは７以上であってもよい。電極Ｅ周りの濃混合気層生成を抑制するために、スワール生成と圧縮行程での分割噴射との両方を行うことなく、いずれか一方のみを行うようにしてもよく、スワールを生成しないものであってもよい。４気筒エンジンに限らず、２気筒以上の多気筒エンジンに適用できるものである。各噴口の設定（径や長さ）は適宜設定できるものであり、全噴口共にその径および長さを同じ設定とすることもできる。成層燃焼域の全域において、圧縮行程後半のみに燃料噴射を行うものであってもよい。吸気弁１２の開弁特性は、常におなじものに設定するようにしてもよい（基本開弁特性に固定）。高負荷域（特に均一燃焼領域での低負荷域以下の負荷域）でもＲ７４での干渉制御を行うようにしてもよい。勿論、本発明の目的として、実質的に好ましいあるいは利点として表現された発明を提供することをも暗黙的に含むものである。

本発明が適用されたエンジンの一例を示す要部側面断面図。 スワール生成部分を含む燃焼室付近の簡略平面図。 燃料系統例を示す系統図。 制御系統例をブロック図的に示す図。 成層燃焼領域と均一燃焼領域との設定例を示す図。 エンジン回転数変化に応じた燃圧変化の設定例を示す図。 分割噴射の一例を示す図。 複数噴口から噴射される燃料噴霧の状態を示す斜視図。 複数噴口から噴射される燃料噴霧の状態を示す側方から見た図。 複数噴口から噴射される燃料噴霧の状態を示す燃料噴射弁の反対側から見た図。 複数噴口の設定例の詳細を示すもので、燃料噴射弁の軸線方向から見たときの図。 シリンダヘッドに対する燃料噴射弁の取付例を示すもので、取付直前の状態を示す斜視図。 シリンダヘッドに対する燃料噴射弁の取付例を示すもので、取付完了状態を示す斜視図。 排気通路の構成例と開弁特性変更機構を簡略的に示す図。 温間時での吸気弁の開弁特性変更例を示す図。 冷間時での吸気弁の開弁特性変更例を示す図。 本発明の制御例を示すフローチャート。

符号の説明

１：エンジン
３：シリンダブロック
４：シリンダヘッド
５：ピストン
６：燃焼室
１０（１０Ａ、１０Ｂ）：吸気ポート
１２：吸気弁
１６：点火フプラグ
１７：点火回路
１８：燃料噴射弁
５０：コントローラ（燃料噴射制御手段、開弁特性制御手段）
Ｅ：点火プラグの電極
ＬＢ：燃料噴射弁の軸線
Ｌ１：第１噴口（下側噴口）の軸線
Ａ１：第１噴口（下側噴口）から噴射された燃料の噴霧角
Ｌ２：第２噴口（左側噴口）の軸線
Ａ２：第２噴口（左側噴口）から噴射された燃料の噴霧角
Ｌ３：第３噴口（右側噴口）の軸線
Ａ３：第３噴口（右側噴口）から噴射された燃料の噴霧角
８１：吸気弁の位相変更機構（開弁特性変更手段）
８２：吸気弁のリフト量変更用アクチュエータ（リフト量変更手段）

Claims (7)

1. 各気筒毎に、２つの吸気弁と、燃焼室の略中央部に電極が位置するように配設された点火プラグと、平面視において２つの吸気弁の間の燃焼室周縁部に配設されて燃焼室内に直接燃料噴射を行う複数の噴口を有するマルチホール型の燃料噴射弁とが設けられ、
   前記複数の噴口として、少なくとも前記電極の左側近傍に指向された左側噴口と該電極の右側近傍に指向された右側噴口とを有するように設定された火花点火式直噴エンジンにおいて、
   エンジン暖機前の状態での低負荷域となる所定運転領域において、吸気行程のうち前記左右の噴口からの燃料噴霧が吸気弁に対して衝突するタイミングで燃料噴射を実行す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. 請求項１において、
   前記所定運転領域のときに、吸気弁が、吸気行程のうち吸気上死点よりも大きく遅れた位置で開弁される吸気遅開きとされる、ことを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
3. 請求項１または請求項２において、
   エンジン始動後に点火時期を大きくリタードさせて排気ガス温度を積極的に上昇させるための昇温制御後における前記所定運転領域において、前記左右の噴口からの燃料噴霧が吸気弁に対して衝突するタイミングでの燃料噴射が実行される、ことを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
4. 請求項２において、
   前記所定運転領域において、吸気遅開きとされた吸気弁の閉弁時期が、略吸気
   下死点位置と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４において、
   前記所定運転領域において、吸気弁の開弁時期が、エンジン温度の上昇に応じて徐々に吸気上死点に近づいて開弁期間が拡大される、ことを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
6. 請求項１において、
   前記所定運転領域において、少なくとも最大リフト位置にある吸気弁に対して前記左右の噴口からの燃料噴霧が衝突するように燃料噴射が行われる、ことを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、
   前記電極近傍に指向される噴口として、該電極の先端近傍でその延長線付近に指向された下側噴口を有し、
   前記下側噴口、左側方口および右側噴口の各噴口から前記電極までの距離が２０ｍｍ以上に設定され、
   前記下側噴口と前記左側噴口とのなす開き角が１５度〜２５の度の範囲に設定されて、エンジンの低回転・低負荷域となる所定運転領域で該下側噴口からの燃料噴霧と該左側噴口からの燃料噴霧が相互干渉効果によって互いに連続したものとなるように設定され、
   前記下側噴口と前記右側噴口とのなす開き角が１５度〜２５の度の範囲に設定されて、前記所定運転領域で該下側噴口からの燃料噴霧と該右側噴口からの燃料噴霧が相互干渉効果によって互いに連続したものと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。

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