JP2008175193A - 直接噴射式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】機関負荷の変化に対応して適切な成層混合気を形成するに好適な直接噴射式内燃機関を提供する。
【解決手段】ピストン冠面３Ａの略中心付近に設けた内側キャビティ１８と内側キャビティ１８の外周を取り巻くよう設けた外側キャビティ２０とにより構成したキャビティを備え、前記ピストン冠面３Ａのキャビティに向けて燃料を予め設定した円錐面に沿った放射状に噴射供給するよう、燃焼室４上部の点火プラグ１０に近接させて設けた燃料噴射弁９と備え、前記内側キャビィ１８を形成し且つ内側キャビティ１８と外側キャビティ２０とを隔てる側壁１９の高さを円周方向夫々の領域において相違させるようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、火花点火方式の直接噴射式内燃機関に関するものである。

従来から成層燃焼による希薄空燃比運転を行うようにした筒内直接噴射式内燃機関は知られている（特許文献１参照）。

これは、燃焼室上面の略中心に燃料噴射弁と点火プラグを配し、ピストン冠面の中央に深皿部をその周囲にバルブリセスとなる円形の浅皿部を配列したボウルを形成し、燃料噴射弁からボウルに向けて中空噴霧を噴射することで、燃焼室内に混合気塊を保持させることにより成層状態を形成して希薄空燃比運転を行うものである。

そして、中低速域では燃料噴霧をピストン深皿部にあて、高速域では浅皿部に向けて噴射することで、深皿部とその上空に強成層混合気を形成する場合と、浅皿部および深皿部とその上空に弱成層混合気を形成する場合を切換えて、運転領域に応じて噴射燃料の成層状態を変えるようにしている。
特開２０００−２６５８４１号公報

しかしながら、上記従来例では、ボウルを構成する円形の浅皿部は中央の深皿部の周囲にバルブリセスとなるよう配列されており、噴射弁を中心とする円形には形成されていない。このため、噴射された燃料噴霧が浅皿部同士の間から外側にこぼれ、浅皿部には充分に受け止めら無い虞があり、燃費の悪化や未燃ＨＣの増加が懸念される。

また、上記従来例では、中央の深皿部と外側の浅皿部との境界が一様に形成されているため、弱い成層状態を得るために、圧縮行程のピストンの低い位置で噴射されると噴射コーンは広がって浅皿部に当り半径方向外側へと向かい、この浅皿部を経由して形成された混合気は、その中央部の点火プラグ近傍において、着火不能な希薄な混合気となる可能性が大きく、また、強い成層状態を形成するために、ピストンの高い位置で噴射されると、噴射コーンは中央の深皿部に全て受け止められて混合気が形成され、点火プラグ近傍に形成される混合気の濃度が過濃となる虞がある。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、機関負荷の変化に対応して適切な成層混合気塊を形成するに好適な直接噴射式内燃機関を提供することを目的とする。

本発明は、ピストン冠面の略中心付近に設けた内側キャビティと内側キャビティの外周を取り巻くよう設けた外側キャビティとにより構成したキャビティを備え、前記ピストン冠面のキャビティに向けて燃料を予め設定した円錐面に沿った放射状に噴射供給するよう、燃焼室上部の点火プラグに近接させて設けた燃料噴射弁と備え、前記内側キャビィを形成し且つ内側キャビティと外側キャビティとを隔てる側壁の高さを円周方向夫々の領域において相違させて形成した。

したがって、本発明では、ピストン冠面に設けるキャビティを、ピストン冠面の略中心付近に設けた内側キャビティと内側キャビティの外周を取り巻くよう設けた外側キャビティとにより構成すると共に、内側キャビィを形成し且つ内側キャビティと外側キャビティとを隔てる側壁の高さを円周方向夫々の領域において相違させて形成した。このため、成層運転域内での機関負荷状態に応じて圧縮行程における燃料噴射開始時期を進角させて燃料噴射量を増加させるようにすると、燃料噴射弁から噴射される燃料の供給範囲が、低負荷状態では圧縮行程の終期のピストンキャビティと燃料噴射弁とが近接した距離で行われて内側キャビティのみとでき、負荷の上昇に応じて噴射開始時期の進角に対応して前記距離が大きくなり分割された側壁の高さの低い一部の外側キャビティへ拡大され、更なる負荷上昇に応じて前記距離が順次大きくなり順次側壁の高さが高い外側キャビティへと拡大される。このため、機関負荷の変化に対応して適切な大きさの成層混合気塊を形成することができ、幅広い運転条件で安定的に成層燃焼を実現し、燃費の向上を図ることができる。

以下、本発明の直接噴射式内燃機関の一実施形態に基づいて説明する。図１〜図５は、本発明を適用した直接噴射式内燃機関の第１実施例を示し、図１は本発明を適用した直接噴射式内燃機関の燃焼室を含む概略構成図、図２はピストンの冠面を示す平面図、図３はピストン冠面の内外ボウルの展開図、図４は燃料噴射弁よりの噴霧状態を示す側面図および平面図、図５は燃料噴射弁よりの噴霧とピストン冠面の内外ボウルとの関係を示す平面図である。

本実施形態の直接噴射式内燃機関は、シリンダブロック１とシリンダヘッド２とピストン３で画成される燃焼室４が形成され、燃焼室４を構成するシリンダヘッド２側には、吸気弁５を介して吸気ポート６が、また、排気弁７を介して排気ポート８が、夫々連通されている。前記吸気弁５と排気弁７とは、夫々図示していない吸気弁用カムと排気弁用カムとによって開閉駆動される。シリンダヘッド２で形成する燃焼室４の上面の略中央付近には、燃料噴射弁９と点火プラグ１０とが配置されており、機関コントロールユニット１１からの駆動信号に基づいて、夫々燃料噴射および点火が実行される。１２は吸入空気量センサ、１３はアクセル開度センサ、１４はクランク角センサ、１５は冷却水温センサ、１６は排気酸素センサである。

前記燃焼室４の上面を形成するシリンダヘッド２は、燃料噴射弁９および点火プラグ１０が配置された中央部分を頂点とし、給排気弁５、７が着座するバルブシート５Ａ、７Ａを形成する部分が夫々傾斜した斜面を構成するペントルーフ型の燃焼室４を構成している。そして、前記ピストン冠面３Ａも、気筒列方向の左右において、前記傾斜した斜面に沿ってスキッシュ域を形成する傾斜した斜面３Ｂと、この左右斜面の頂部に連ねて平坦な頂部３Ｃを備える凸状に形成されている。従って、ピストン３が上死点位置に上昇した際には、ピストン３の平坦な頂部３Ｃとシリンダヘッド２とにより、概ね三角柱の断面形状となるペントルーフ型燃焼室４を形成する。

前記ピストン冠面３Ａには、図２に示すように、その略中央付近に、比較的深く形成された円形の深皿からなる内側キャビティ１８と、この内側キャビティ１８を略同心円状に取囲んでその外周部に内側キャビティ１８より浅く形成された環状の外側キャビティ２０と、が設けられている。前記内側キャビティ１８はその外周側壁１９（以下では「側壁」という）の上端の縁が、それを取囲む外側キャビティ２０の底部２１に連なり、外側キャビティ２０の底部２１外周に設けた外周側壁２２（以下では「外壁」という）の上端の縁が、夫々ピストン冠面３Ａの平坦な頂部３Ｃおよび左右斜面３Ｂに連なるよう形成されている。前記外側キャビティ２０の外壁２２の上端の縁は、ピストン冠面３Ａの平坦な頂部３Ｃに連なる範囲で高く位置し、ピストン冠面３Ａの左右斜面３Ｂに連なる範囲で、斜面と円筒との交差により、その中央部分の位置が低くなっている。

前記外側キャビティ２０は円周方向において複数の領域に分割されており、夫々の領域においてその深さ（内側キャビティ１８を構成する側壁１９の高さ）を相違させて配列されている。図示例では、左右斜面３Ｂに臨む２つの領域Ａと平坦な頂部に臨む４つの領域Ｂ、Ｃとの６個の領域に分割している。そして、左右斜面３Ｂに臨む２つの領域Ａの底部２１の高さ寸法（内側キャビティ１８を構成する側壁１９の高さ寸法）を最も小さく設定して、外側キャビティ２０を構成する外壁２２の高さ寸法がある程度確保されるようにしている。また、平坦な頂部３Ｃに臨む４つの領域Ｂ、Ｃの底部２１の高さ寸法（内側キャビティ１８を構成する側壁１９の高さ寸法）は、前記領域Ａよりも大きく且つ領域Ａに対して階段状となるよう２種類の高さ寸法に設定されている。

前記外側キャビティ２０の領域の分割数は、燃料噴射弁９から噴射される燃料噴霧の数に対応するよう好適に設定されている。即ち、燃料噴射弁９として、図４に示すように、圧縮行程後半における筒内圧力上昇時にも噴霧形状の変化が小さく、中空で且つ指向性の強いマルチホール噴射弁を用い、複数の噴霧を、シリンダ軸と平行であり且つピストン冠面３Ａに形成した前記内側キャビティ１８および外側キャビティ２０の中心軸と一致した軸心を備える円錐面に沿って拡がりながら斜め下方に向かうように噴射される。そして、噴射された複数の噴霧は、図５に示すように、外側キャビティ２０の分割された領域の夫々の中央位置に向かうよう、外側キャビティ２０の各分割された領域と燃料噴射弁９のマルチホールの方向とが一致するよう設定している。

そして、燃料噴射弁９から噴射された噴霧（ここでは、ピストン３の上昇行程の途中から上死点近傍までの全範囲で噴霧しているものとして説明する）は、ピストン３との距離が大きい場合（圧縮行程におけるピストン位置）には、外側キャビティ２０の各領域に衝突される。噴射された噴霧は全体として円錐状となっているため、ピストン位置の上昇に連れて、先ず、外側キャビティ２０の底部２１の高さ寸法（内側キャビティ１８を構成する側壁１９の高さ寸法）が最も大きい領域の側壁１９の縁が噴霧を横切り、次いで、外側キャビティ２０の底部２１の高さ寸法（内側キャビティ１８を構成する側壁１９の高さ寸法）が次に大きい領域の側壁１９の縁が噴霧を横切り、そして、外側キャビティ２０の底部２１の高さ寸法（内側キャビティ１８を構成する側壁１９の高さ寸法）が次に大きい領域の側壁１９の縁が噴霧を横切ることになる。

したがって、前記噴霧がその領域の側壁１９の縁を横切るまでは、その領域の外側キャビティ２０へ噴霧が衝突し外側キャビティ２０の外壁２２との間で気化され、その領域の側壁１９の縁を横切るまでピストン３が上昇されると、その領域の外側キャビティ２０へは噴霧が衝突せず、縁を介して下方へ連なる側壁１９に噴霧が衝突して内側キャビティ１８へ流入して噴霧が気化されることとなる。前記側壁１９の高さは各領域で階段状に差異を持たせているため、ピストン３の上昇位置に応じて、各噴霧は外周の外側キャビティ２０から内周の内側キャビティ１８に順次衝突位置を移行させる結果となる。

本実施形態においては、機関コントロールユニット１１により演算された機関の負荷および回転速度が所定値以上の場合（高負荷高回転領域）には、燃料噴射開始時期を吸気行程中に開始され且つ終了するよう設定して、いわゆる均質燃焼が行われる。燃料噴射開始時期および終了時期はクランク角センサ１４よりの信号に基づいて制御される。また、前記高負荷高回転領域よりも機関の負荷状態および／または回転状態が低い場合には、前記燃料噴射弁９による燃料噴射の噴射開始時期を、機関の負荷状態および／または回転状態に応じて変化させて、機関の負荷状態および／または回転状態に応じた成層混合気を形成するように制御する。

図６〜図９は、本実施形態における成層燃焼を行う場合における、機関負荷毎の燃料噴霧とピストン位置の関係および点火時期近傍における混合気分布について模式的に説明するものである。

まず、機関負荷が高い場合には、図６（Ａ）に示すように、燃料噴射開始時期が圧縮行程後半の比較的早い時期（ピストン上昇位置Ａ１）に設定される。噴射開始時期を早めた場合、ピストン３は燃料噴射弁９から離れた位置で燃料噴霧と衝突するため、円錐状に噴射された燃料は広がりながら進行して、全て外壁２２内の全領域の外側キャビティ２０の領域Ａ〜Ｃで受け止めることができる。機関負荷が高い場合、低負荷時に比べ噴射期間も長くなり、その間にもピストン３が上昇しており、噴射期間後半に噴射された燃料は内側キャビティ１８で受け止められるようになり、ピストン上昇位置Ａ２で燃料噴射が終了される。

噴射された燃料は、図６（Ｂ）および図６（Ｃ）に示すように、内側キャビティ１８および外側キャビティ２０全体に略均質に広がる。そして、噴射された燃料の密度は、ピストン３の上昇に連れてピストン３に衝突するサークルが小さくなることにより、周辺部で薄く、中央部に移行するに連れて濃くなる。これにより負荷が高い場合でも、均質な成層混合気塊を形成することが可能となり、排気性能を悪化させることなく成層燃焼を行うことができる。

機関負荷が低くなると、図７（Ａ）に示すように、噴射開始時期Ａ１が遅角される。噴射開始時期Ａ１の遅角によって、ピストン３が燃料噴射弁９に近づくため、噴射された燃料がピストン３に衝突開始する位置が、相対的にピストン中心寄りに移動する。

このとき、内側キャビティ１８の側壁１９の高さが外側キャビティ２０の領域によって異なるように階段状に設定されている。このため、燃料噴霧がピストン３の側壁１９の上端と外側キャビティ２０の底部２１との境界付近に衝突するとき、側壁１９が低い領域Ａの外側キャビティ２０に対しては、噴射初期に外側キャビティ２０によって燃料が受け止められる。側壁１９が高い領域Ｃの外側キャビティ２０に対しては、噴射初期においても、外側キャビティ２０には燃料噴霧が到達せずに側壁１９に受け止められる。

よって適切な燃料噴射時期Ａ１に設定すれば、図７（Ｂ）および図７（Ｃ）に示すように、側壁１９高さが低い若しくは中間高さの外側キャビティ２０にのみ燃料を拡散させて受け止めさせることが可能となり、外側キャビティ２０での燃料の過剰なリーン化を抑制することができる。そして、噴射された燃料の密度は、ピストン３の上昇に連れてピストン３に衝突するサークルが小さくなることにより、周辺部で薄く、中央部に移行するに連れて濃くなる成層状態となっている。つまり、高負荷運転と低負荷運転の途中の負荷で燃焼を悪化させることがない。なお、この場合においても、燃料噴射の終了時期Ａ２は、図６に示す場合と同様のタイミングで設定される。図７（Ｃ）において、中間高さの側壁１９を備える領域Ｂにおいて、一方は燃料噴霧が拡散し、他方においては燃料噴霧が拡散されていない状態となっているが、これは一方の側壁１９の高さが他方より低く設定することで実現できる。

機関負荷がより低い場合および低回転の場合には、図８（Ａ）に示すように、外側キャビティ２０の１部の領域Ａのみに燃料が広がるように、燃料噴射の開始時期Ａ１を遅らせる。なお、この場合においても、燃料噴射の終了時期Ａ２は、図６に示す場合と同様のタイミングで設定される。この場合においても、図８（Ｂ）および図８（Ｃ）に示すように、一つの領域Ａの外側キャビティ２０への噴霧による周辺部の濃度が薄く、内側キャビティ１８への噴霧による中央領域において濃い成層状態の混合気塊を得ることができ、燃焼を悪化させることがない。

また、アイドル運転のように機関負荷が最も低いような場合、図９（Ａ）に示すように、内側キャビティ１８でのみ燃料が受け止められるように、噴射時期Ａ１を遅角することで、図９（Ｂ）および図９（Ｃ）に示すように、コンパクトな混合気塊の形成を実現できる。

なお、内側キャビティ１８と外側キャビティ２０の境界の側壁１９を低く設定すると、内側キャビティ１８で受け止めた燃料が側壁１９を越えて外側キャビティ２０へと向かい過剰に燃料が拡散してしまう恐れがある。しかしながら、燃料噴射弁９の側方に点火プラグ１０を設置することで、総燃料噴射量の少ない、大幅なリーン運転を行うアイドル運転または低負荷運転時には、燃料噴霧終了時期付近で火花点火を行ない、燃料が拡散する前に燃焼させる方式（スプレーガイド式成層燃焼）を採用することが可能である。この場合でも、燃料が拡散、混合しつつ燃焼が進行するため、過剰に拡散しないように内側キャビティ１８に相当する燃料受け止め用のガイドが必要となるが、速やかに燃焼が行われるため、側壁１９が低くなることによる弊害はない。

図１０は、本実施形態の第２実施例のピストン冠面３Ａの形状を示すものである。本実施例においては、内側キャビティ１８と外側キャビティ２０の境界である内側キャビティ１８の側壁１９の高さのみを第１実施例と同様に夫々高さが異なるように設定し、外側キャビティ２０の底部２１の高さは、例えば、最も低い領域Ａの外側キャビティ２０の底部２１の高さと同一となるようにしたものである。

本実施例においては、複数の燃料噴霧の夫々が外側キャビティ２０で受け止められる時期を異ならせることが可能となる点では、第１実施例と同じである。しかしながら、外側キャビティ２０の底部２１の高さが一定であるため、外側キャビティ２０の底部２１の高さを内側キャビティ１８の側壁１９とは無関係に任意・最適に設定することができる。

つまり、外側キャビティ２０の底部２１高さを異ならせる場合には、外側キャビティ２０の底部２１の最も高い箇所では外側の外壁２２からその外（スキッシュ域）への燃料こぼれが懸念される。この第２実施例に示す構成では、外側キャビティ２０には夫々高い外壁２２が形成されることとなり、外部のスキッシュ域３Ｂやピストン３の平坦な頂部３Ｃ等へのこぼれがなく、燃焼室４の燃料が拡散する表面積の増大を抑制することができ、冷却損失、未燃ＨＣを増大させることを防止できる。

ただ、本構成においては、内側キャビティ１８の側壁１９高さのみが異なるため、外側キャビティ２０内で受け止められた燃料が各領域を超えて円周方向に拡散するのを抑制する作用がない。このため、内側キャビティ１８の直径および外側キャビティ２０の外壁２２の直径の設定や燃料噴射弁９の噴口角度（噴霧傘角度）、噴口数によって内側キャビティ１８外周の側壁１９高さと外側キャビティ２０の底部２１の高さを最適化することが望ましい。

図１１は、本実施形態の第３実施例のピストン冠面３Ａの形状を示すものである。本実施例では、内側キャビティ１８と外側キャビティ２０の境界である側壁１９の高さを円周方向において、階段状でなく、連続的に変化するように設定したものである。この実施例では、内側キャビティ１８の側壁１９の高さ（外側キャビティ２０の底部２１の高さ）を円周方向で連続的に変化させるように設定されている。

本構成においては、複数の燃料噴霧の夫々が、外側キャビティ２０で受け止められる時期を異ならせることが可能となる点では、第１、第２実施例と同じであるが、側壁１９と外側キャビティ２０の底部２１との高さに明確な段差を設けないことにより、燃焼室Ｓ／Ｖ比（燃焼室４の表面積Ｓ／燃焼室の容積Ｖの比）の悪化（増加）を抑制している。これにより、冷却損失や燃焼室壁面近傍での消炎による未燃HCを増大させることなく、成層燃焼を達成することができる。

ただ、本実施例においては、外側キャビティ２０の底部２１の高さが連続的に変化していることから、前記した第２実施例と同様に、外側キャビティ２０の底部２１で受け止められた燃料が円周方向に拡散するのを抑制する作用がない。このため、内側キャビティ１８の直径および外側キャビティ２０外壁２２の径の設定や燃料噴射弁９の噴口角度（噴霧傘角度）、噴口数によって側壁１９高さと外側キャビティ２０底部２１の高さの連続性、境界の滑らかさを最適化することが望ましい。

なお、上記実施形態において、燃料噴射弁９として、マルチホール噴射弁を用いるものについて説明したが、図示はしないが、ピストン冠面３Ａのキャビティ１８、２０に向けて燃料を予め設定した円錐面に沿った放射状に噴射供給するものであってもよい。

また、上記第１実施例において、外側キャビティ２０として、階段状のものについて説明したが、図示はしないが、交互に高低を繰返しながら階段状になるものであってもよい。

また、上記第２実施例において、側壁１９として、階段状に段階的に高さが変化するものについて説明したが、図示はしないが、連続的に高さが変化するものであってもよい。

また、上記実施形態において、機関の成層燃焼における負荷状態として、高負荷時、中負荷時、低負荷時、極低負荷時の４段階について説明したが、図示はしないが、２〜３段階若しくは５段階以上の負荷状態に対応するものであってもよい。

本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。

（ア）ピストン冠面３Ａの略中心付近に設けた内側キャビティ１８と内側キャビティ１８の外周を取り巻くよう設けた外側キャビティ２０とにより構成したキャビティを備え、前記ピストン冠面３Ａのキャビティに向けて燃料を予め設定した円錐面に沿った放射状に噴射供給するよう、燃焼室４上部の点火プラグ１０に近接させて設けた燃料噴射弁９と備え、前記内側キャビィ１８を形成し且つ内側キャビティ１８と外側キャビティ２０とを隔てる側壁１９の高さを円周方向夫々の領域において相違させるようにした。このため、成層運転域内での機関負荷状態に応じて、圧縮行程における燃料噴射開始時期を進角させて燃料噴射量を増加させるようにすると、燃料噴射弁９から円錐面状に噴射する燃料の供給範囲が、低負荷状態では圧縮行程の終期においてピストンキャビティ１８、２０と燃料噴射弁９とが近接した状態で内側キャビティ１８のみであり、負荷の上昇に応じて噴射開始時期の進角に対応して前記距離が拡がり分割された側壁１９の高さの低い一部の外側キャビティ２０へと拡大され、更なる負荷上昇に応じて前記距離が順次大きくなり順次側壁１９の高さが高い外側キャビティ２０へと供給範囲が順次拡大される。このため、機関負荷の変化に対応して適切な大きさの成層混合気塊を形成することができ、幅広い運転条件で安定的に成層燃焼を実現し、燃費の向上を図ることができる。

（イ）第１実施例のように、外側キャビティ２０を円周方向において複数の領域に分割し、それぞれの領域の底部２１の高さを相違させることで内側キャビティ１８を形成する側壁１９の高さを相違させる場合には、外側キャビティ２０で受け止められた燃料の円周方向への拡散を抑制して意図する成層混合気塊を形成することができる。

（ウ）第２実施例のように、側壁１９を円周方向において複数の領域に分割し、それぞれの領域における高さを相違させる場合には、外側キャビティ２０の底部２１の高さや外壁２２の高さを任意の高さに設定することができ、外側キャビティ２０に受け止められた燃料のキャビティ外への飛散を抑制することができる。

（エ）円周方向に分割された領域それぞれの外側キャビティ２０の底部２１の高さまたは前記側壁１９の高さは、円周方向の対向する領域において低く、その領域に挟まれる領域において前記対向する領域より高く形成されていることにより、形成される成層混合気塊の成層度を高めることができる。

（オ）円周方向に分割された領域それぞれの外側キャビティ２０の底部２１の高さまたは前記側壁１９の高さは、すべての領域において相違させることにより、機関負荷状態に対して木目細かく成層混合気塊を形成することができる。

（カ）円周方向に分割された領域それぞれの外側キャビティ２０の底部２１の高さまたは前記側壁１９の高さは、円周方向に隣り合う領域に対して、高低が交互に配列若しくは円周方向に階段状に相違されていることにより、外側キャビティ２０で受け止めた燃料が円周方向に過剰に広がるのを抑制することができる。

（キ）第３実施例のように、円周方向に分割された領域それぞれの外側キャビティ２０の底部２１の高さまたは前記側壁１９の高さは、円周方向に連続的に相違させることにより、燃焼室ＳＶ比の悪化を抑制することができる。

（ク）燃料噴射弁９は複数の噴孔を備え、各噴孔から噴射される噴霧の指向方向は前記外側キャビティ２０若しくは側壁１９の分割された夫々の領域と円周方向角度が一致していることにより、圧縮行程後半における筒内圧力上昇時にも噴霧形状の変化が小さく、中空で且つ指向性の強い燃料噴霧により、成層度の高い成層混合気塊を形成することができる。

（ケ）円周方向に分割された領域それぞれの外側キャビティ２０の底部２１の高さは、外側キャビティ２０の外壁２２上端が連なるピストン冠面３Ａの高さが最も低い箇所に臨む領域において他の領域より低く設定されていることにより、外側キャビティ２０で受け止めた燃料が外側キャビティ２０よりさらに外に食み出して拡散することを防ぐことができる。

（コ）円周方向に分割された領域それぞれの外側キャビティ２０の底部２１の高さは、外側キャビティ２０の外壁２２上端が連なるピストン冠面３Ａの高さが最も高い箇所に臨む領域において他の領域より高く設定されていることにより、高負荷領域での成層混合気塊の大きさを大きくすることができる。

（サ）点火プラグ１０の点火プラグギャップは内側キャビティ１８の中心からオフセットして配置され、前記オフセット方向に位置する領域の外側キャビティ２０の底部２１は隣接する領域より高く設定されていることにより、内側キャビティ１８のみで燃料を受け止めるアイドル運転等の極小負荷でも、点火プラグ１０とピストン冠面３Ａが近くなり、点火プラグ１０近傍が過度に薄くなることを防ぎ、燃料を受け止め十分に混合を図って燃焼を行うことができる。

（シ）成層運転域内での機関負荷状態に応じて、圧縮行程における燃料噴射開始時期を早めることで燃料噴射量を増加させるよう制御することにより、負荷状態に応じた成層混合気塊の大きさを変化させることができる。

本発明の一実施形態を示す直接噴射式内燃機関の概略構成図。 同じくピストンの冠面を示す平面図。 ピストン冠面の内外ボウルの展開図。 燃料噴射弁よりの噴霧状態を示す側面図（Ａ）および平面図（Ｂ）。 燃料噴射弁よりの噴霧とピストン冠面の内外ボウルとの関係を示す平面図。 成層燃焼される高負荷時における燃料噴霧とピストン位置の関係（Ａ）および点火時期近傍における混合気分布について模式的に説明する説明図（Ｂ）、（Ｃ）。 成層燃焼される中負荷時における燃料噴霧とピストン位置の関係（Ａ）および点火時期近傍における混合気分布について模式的に説明する説明図（Ｂ）、（Ｃ）。 成層燃焼される低負荷時における燃料噴霧とピストン位置の関係（Ａ）および点火時期近傍における混合気分布について模式的に説明する説明図（Ｂ）、（Ｃ）。 成層燃焼される極低負荷時における燃料噴霧とピストン位置の関係（Ａ）および点火時期近傍における混合気分布について模式的に説明する説明図（Ｂ）、（Ｃ）。 本実施形態の第２実施例のピストン冠面の形状を示す平面図および円周方向展開図。 本実施形態の第３実施例のピストン冠面の形状を示す平面図および円周方向展開図。

符号の説明

１ シリンダブロック
２ シリンダヘッド
３ ピストン
４ 燃焼室
５ 吸気弁
６ 吸気ポート
７ 排気弁
８ 排気ポート
９ 燃料噴射弁
１０ 点火プラグ
１１ 機関コントロールユニット
１８ 内側キャビティ
１９ 側壁
２０ 外側キャビティ
２１ 底部
２２ 外壁

Claims (13)

1. ピストン冠面の略中心付近に設けた内側キャビティと内側キャビティの外周を取り巻くよう設けた外側キャビティとにより構成したキャビティを備え、前記ピストン冠面のキャビティに向けて燃料を予め設定した円錐面に沿った放射状に噴射供給するよう、燃焼室上部の点火プラグに近接させて設けた燃料噴射弁と備える直接噴射式内燃機関において、
   前記内側キャビィを形成し且つ内側キャビティと外側キャビティとを隔てる側壁の高さを円周方向夫々の領域において相違させて形成したことを特徴とする直接噴射式内燃機関。
2. 前記外側キャビティは、円周方向において複数の領域に分割され、それぞれの領域の底部の高さを相違させることで内側キャビティを形成する側壁の高さを夫々の領域で相違させることを特徴とする請求項１に記載の直接噴射式内燃機関。
3. 前記側壁は、円周方向において複数の領域に分割され、それぞれの領域における高さを相違させて形成したことを特徴とする請求項１に記載の直接噴射式内燃機関。
4. 前記円周方向に分割された領域それぞれの外側キャビティの底部の高さまたは前記側壁の高さは、円周方向の対向する領域において低く、その領域に挟まれる領域において前記対向する領域より高く形成されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の直接噴射式内燃機関。
5. 前記円周方向に分割された領域それぞれの外側キャビティの底部の高さまたは前記側壁の高さは、すべての領域において夫々相違させることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか一つに記載の直接噴射式内燃機関。
6. 前記円周方向に分割された領域それぞれの外側キャビティの底部の高さまたは前記側壁の高さは、円周方向に隣り合う領域に対して、高低が交互に配列されていることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか一つに記載の直接噴射式内燃機関。
7. 前記円周方向に分割された領域それぞれの外側キャビティの底部の高さまたは前記側壁の高さは、円周方向に階段状に相違させて形成したことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか一つに記載の直接噴射式内燃機関。
8. 前記円周方向に分割された領域それぞれの外側キャビティの底部の高さまたは前記側壁の高さは、円周方向に連続的に相違させて形成したことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか一つに記載の直接噴射式内燃機関。
9. 前記燃料噴射弁は複数の噴孔を備え、各噴孔から噴射される噴霧の指向方向は前記外側キャビティ若しくは側壁の分割された夫々の領域と円周方向角度を一致させていることを特徴とする請求項２から請求項８のいずれか一つに記載の直接噴射式内燃機関。
10. 前記円周方向に分割された領域それぞれの外側キャビティの底部の高さは、外側キャビティの外壁上端が連なるピストン冠面の高さが最も低い箇所に臨む領域において他の領域より低く設定されていることを特徴とする請求項２から請求項８のいずれか一つに記載の直接噴射式内燃機関。
11. 前記円周方向に分割された領域それぞれの外側キャビティの底部の高さは、外側キャビティの外壁上端が連なるピストン冠面の高さが最も高い箇所に臨む領域において他の領域より高く設定されていることを特徴とする請求項２から請求項８のいずれか一つに記載の直接噴射式内燃機関。
12. 前記点火プラグの点火プラグギャップは内側キャビティの中心からオフセットして配置され、前記オフセット方向に位置する領域の外側キャビティの底部は隣接する領域より高く設定されていることを特徴とする請求項２から請求項８のいずれか一つに記載の直接噴射式内燃機関。
13. ピストン冠面の略中心付近に設けた内側キャビティと内側キャビティの外周を取り巻くよう設けた外側キャビティとにより構成したキャビティと、
    前記ピストン冠面のキャビティに向けて燃料を予め設定した円錐面に沿った放射状に噴射供給するよう、燃焼室上部の点火プラグに近接させて設けた燃料噴射弁と、
    機関運転状態を検出する運転状態検出装置と、
    前記検出運転状態に基づいて前記燃料噴射弁による燃料噴射時期、燃料噴射量、および前記点火プラグによる点火時期を制御する制御装置と、を備え、
    前記内側キャビィを形成し且つ内側キャビティと外側キャビティとを隔てる側壁の高さを円周方向夫々領域において異ならせて形成し、
    前記制御手段は、所定の成層運転域内での機関負荷状態に応じて、圧縮行程における燃料噴射開始時期を早めることで燃料噴射量を増加させるよう制御することを特徴とする直接噴射式内燃機関。